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有机废弃物梯级转化产能系统及方法

阅读：785发布：2021-04-13

专利汇可以提供有机废弃物梯级转化产能系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种有机废弃物的梯级转化产能系统，其特征在于：包括微生物厌氧发酵制氢系统、沼气发酵系统和微生物燃料电池系统3个子系统；本发明还公开了一种有机废弃物的梯级转化产能方法，其特征在于：包括如下步骤：A.将有机废弃物通入沉淀池内，经沉淀分为有机废水和固态有机物；B.有机废水进入微生物厌氧发酵制氢系统进行降解和产氢；C.固态有机物进入沼气发酵系统进行降解，产生的沼渣用作肥料、饲料和育苗营养土，沼液用作肥料和生物农药；D.制氢系统和发酵系统的部分产物进入微生物燃料电池系统进一步处理，实现废水再降解、产能和H2、CH4提纯。本发明将有机废弃物的阶梯利用和产能二者结合起来，形成了一套系统和方法，实现了有机废弃物的降解和资源化利用，以及有效利用有机物中能量进行产能。本发明可用于生物、能源、环保等领域。，下面是有机废弃物梯级转化产能系统及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.有机废弃物的梯级转化产能系统，其特征在于：该系统包括3个子系统：微生物厌氧发酵制氢系统、沼气发酵系统和微生物燃料电池系统。
2.根据权利要求1所述的有机废弃物的梯级转化产能系统，其特征在于：所述微生物厌氧发酵制氢系统包括有机废水的微生物厌氧暗发酵和微生物厌氧光发酵；所述沼气发酵系统包括固态有机物的沼气发酵以及沼渣、沼液和沼气的综合利用；所述微生物燃料电池系统将微生物燃料电池和微藻培养结合起来，净化废水，产能和提纯H2、CH4。
3.根据权利要求1或2所述的有机废弃物的梯级转化产能系统，其特征在于：微生物燃料电池包括一个阳极室和两个阴极室，在阴极室和阳极室之间固定有质子交换膜，此外，外部光源系统为阴极室提供光照；微生物燃料电池工作的同时，阴极室进行藻类培养。
4.有机废弃物的梯级转化产能方法，其特征在于：包括如下步骤：
A．将有机废弃物通入沉淀池内，经沉淀后分为有机废水和固态有机物；
B．将有机废水通入微生物厌氧发酵制氢系统，依次进行厌氧暗发酵和厌氧光发酵，降解有机废水并产生H2和CO2；
C．将固态有机物通入沼气发酵系统进行发酵，产生的沼渣用作肥料、饲料和育苗营养土，沼液用作肥料和生物农药；
D．将微生物厌氧发酵制氢系统和沼气发酵系统的部分产物通入微生物燃料电池系统中：厌氧光发酵后的尾液通入微生物燃料电池的阳极室做进一步降解；部分沼液通入两个阴极室为微藻培养提供营养元素；厌氧暗发酵和厌氧光发酵所产生的CO2和H2混合气体通入一个阴极室内，微藻吸收CO2，实现提纯H2的目的；沼气（含CH4和CO2的混合气体）通入另一个阴极室内，微藻吸收CO2，实现提纯CH4的目的。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的微生物燃料电池，其特征在于：微生物燃料电池的阳极室和阴极室个数并不仅仅局限于1个和2个，可以根据需要进行组合。
6.根据权利要求4所述的有机废弃物的梯级转化产能方法，其特征在于：步骤A中所利用的有机废弃物主要为生活餐厨废弃物和粪便等。
7.根据权利要求4所述的有机废弃物的梯级转化产能方法，其特征在于：步骤B中有机废水进行厌氧暗发酵前和厌氧光发酵前，需将pH调节至6~9。
8.根据权利要求4或7所述的有机废弃物的梯级转化产能方法，其特征在于：步骤B中可添加的厌氧暗发酵细菌有：梭菌属（Clostridium）、类芽孢菌属（Paenibacillus）和肠杆菌科（Enterobacteriaceae）等；可添加的厌氧光发酵细菌有：有红假单胞菌属（Rhodopseudomonas）、红杆菌属（Rhodobacter）和红螺菌属（Rhodospirillum）等。
9.根据权利要求4所述的有机废弃物的梯级转化产能方法，其特征在于：步骤D中阴极室内可添加小球藻、螺旋藻、杜氏藻、硅藻、隐甲藻等微藻的一种或几种。
10.根据权利要求4所述的有机废弃物的梯级转化产能方法，其特征在于：该方法所涉及的所有反应都在常温常压下进行，不需要额外的控温控压装置。

说明书全文

有机废弃物梯级转化产能系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及梯级处理有机废弃物的系统及方法，具体涉及有机废弃物梯级转化产能系统及方法。

背景技术

[0002] 随着我国城市建设的发展和城市化进程的加快，城市生活废水和废弃物排放量急剧增长。再加上过去我国过多地把环境污染防治的重点放在工业污染防治上，致使城市生活排放物的污染防治相对滞后，全国绝大多数城市生活排放物的治理能力远远满足不了实际需要，城市生活排放物的环境污染问题已经成为困扰城市发展的一个重要难题。城市生活排放物中含有大量的有机废弃物（如餐厨废弃物和粪便等），使得废水中含有大量的淀粉、脂肪、蛋白质、纤维素、糖类、矿物油等有机物，化学需氧量（COD）和生物需氧量（BOD）较高。目前，有机废水处理主要采用生物活性污泥法，但该方法往往基建费、运行费高，能耗大，管理复杂，易出现污泥膨胀现象，设备不能满足高效低耗的要求。此外，固态有机物的处理方法主要两类：一是与其他垃圾一样进行掩埋或焚烧处理；二是发酵堆肥，生产有机肥料。然而，这些传统的有机废弃物处理方式都不能合理利用有机废弃物中的生物质能，从而造成能源的浪费，同时，产生的大量有害气体和温室气体被排入大气，造成环境污染。

[0003] 生物制氢是一种新型的制氢方法，是把自然界中有机物中的能量通过产氢微生物的作用转化为氢气，是微生物自身新陈代谢的作用，反应在常温常压条件下进行，同时可将有机废水作为反应原料，实现废物降解和能源生产的双重作用。生物制氢过程可分为暗发酵制氢和光发酵制氢两大类。其中，前者所利用的微生物为厌氧化能异养菌，后者利用的则为厌氧光合细菌（或部分藻类）。暗发酵细菌能够利用复杂的大分子有机物，产生H2，CO2和小分子有机酸等。光发酵细菌利用的反应原料主要为小分子有机物，两种发酵微生物几乎不存在竞争关系。故可以将暗发酵和光发酵结合起来，实现对有机底物的梯级利用。

[0004] 沼气发酵是指在厌氧条件下，产甲烷菌通过自身新陈代谢来降解有机物并制取沼气的过程，也称为厌氧消化。沼气的主要成分为CH4和CO2，同时，沼液中还富含氮、磷、钾等大量营养元素和锌、铜、锰等微量营养元素，而且沼液还对农作物近30种病害具有防治作用，具有广泛的用途。沼渣是发酵产生沼气后残留的底层渣汁，包括难以分解的有机物、分解产生的腐殖酸类物质以及含有无机盐的灰分，沼渣中含有较全面的养分和丰富有机物质，具有速缓兼备的肥效特点。由此可见，沼气发酵既可处理固态有机物以保护环境，又可生产沼气作为能源，而经沼气发酵后的沼液、沼渣还是优化的有机肥料。

[0005] 微藻是一类微观的单细胞群体，是最低等的、自养的水生生物。微藻是一种最具有潜力的新型可再生生物质能源，具有光合效率高、零净碳值、易培养、生长周期短、油脂含量高、环境适应性强等优点。微藻可以通过光合作用将太阳能转化为化学能，同时吸收CO2合成碳水化合物并产生O2。微藻培养需要大量的营养物质，主要是氮源（硝酸盐或铵盐）和磷源（正磷酸盐），还包括一些微量元素（锌、铜、锰等），而这些元素正是沼液中所含的主要成分。作为能源物质，可利用微藻来生产生物柴油，也可以进行生物制氢、制取甲烷等清洁能源气体。

[0006] 微生物燃料电池是利用微生物作为催化剂，氧化分解生物质同时输出电能的一种新装置。微生物燃料电池一个很重要的应用就是处理有机废水，阳极微生物利用废水中所含的有机物作为碳源和电子供体，将有机物中的能量转化为电能，一般电能的转化率为20%~30%。在微生物燃料电池阴极室，一般以O2作为氧化剂，在催化剂的作用下，O2在阴极表面得到电子发生还原反应，与阳极室传输来的H+结合成水。

[0007] 因此，若将微生物发酵制氢、沼气发酵、微藻培养和微生物燃料电池有机结合起来，形成一套有机废弃物梯级转化产能系统及方法，便可实现有机废弃物资源最大限度的综合利用。

发明内容

[0008] 本发明的目的是为解决环境污染问题，实现有机废弃物梯级利用及有效回收有机废弃物中的能量，提供一种有机废弃物梯级转化产能系统及方法。

[0009] 为实现上述目的，本发明的第一技术方案是，一种有机废弃物的梯级转化产能系统，该系统包括3个子系统：微生物厌氧发酵制氢系统、沼气发酵系统和微生物燃料电池系统。微生物厌氧发酵制氢系统包括有机废水的微生物厌氧暗发酵和微生物厌氧光发酵；沼气发酵系统包括固态有机物的沼气发酵以及沼渣、沼液和沼气的综合利用；微生物燃料电池系统将微生物燃料电池和微藻培养结合起来，净化废水，产能和提纯H2、CH4。

[0010] 本发明的微生物燃料电池，是带微藻培养的自制微生物燃料电池，此电池的特殊之处在于：在微生物燃料电池工作的同时，阴极室进行藻类培养。微生物燃料电池包括一个阳极室和两个阴极室，在阴极室和阳极室之间固定有质子交换膜，此外，外部光源系统为阴极室提供光照。

[0011] 发明的第二技术方案是，一种有机废弃物的梯级转化产能方法，包括如下步骤：A．将有机废弃物通入沉淀池内，经沉淀后分为有机废水和固态有机物；
B．将有机废水通入微生物厌氧发酵制氢系统，依次进行厌氧暗发酵和厌氧光发酵，降解有机废水并产生H2和CO2；
C．将固态有机物通入沼气发酵系统进行发酵，产生的沼渣用作肥料、饲料和育苗营养土，沼液用作肥料和生物农药；
D．将微生物厌氧发酵制氢系统和沼气发酵系统的部分产物通入微生物燃料电池系统中：厌氧光发酵后的尾液通入微生物燃料电池的阳极室做进一步降解；部分沼液通入两个阴极室为微藻培养提供营养元素；厌氧暗发酵和厌氧光发酵所产生的CO2和H2混合气体通入一个阴极室内，微藻吸收CO2，实现提纯H2的目的；沼气（含CH4和CO2的混合气体）通入另一个阴极室内，微藻吸收CO2，实现提纯CH4的目的。

[0012] 微生物燃料电池的工作原理是：在阳极室，厌氧光发酵后的尾液中残留的有机物通过微生物（产电菌）的代谢被氧化降解，电子传递到阳极，并通过外电路到达阴极形成电流，产生电能；在阴极室，沼液为微藻提供生长所必须的无机盐和微量元素，CO2为微藻光合作用提供碳源，外部光照系统为微藻光合作用提供光源，微藻进行光合作用产生的O2作为阴极的氧化剂而被还原，则其中一个阴极室排出的气体为提纯后的H2，另一个阴极室排出的气体为提纯后的CH4。阴极室内的微藻，是一种可再生生物质能源，可定期采收，进一步资源化利用。

[0013] 本发明包含以下有益效果：1.将有机废弃物的治理和能源回收二者结合起来，可同时解决有机废水的降解、固态有机物的资源化利用和有机物中能量的有效回收等技术问题，不仅解决了有机废弃物的环境污染问题，为处理有机废弃物提供理论指导和技术支持，而且为有机废弃物的资源化利用和能量回收提供了一个典范；
2.本发明将有机废水依次通过微生物厌氧暗发酵制氢、微生物厌氧光发酵制氢和微生物燃料电池进行降解，实现了废水的无害化处理；
3.本发明将固态有机物进行发酵处理，发酵后的沼渣、沼液和沼气都进行进一步利用，实现了固态有机物的资源化利用；
4.本发明最终得到的能源物质有H2、CH4和生物质能（微藻），并获取了电能，实现了有机废弃物的能量回收；
5.本发明将微生物燃料电池和微藻培养结合起来，分别对发酵制氢和沼气发酵产生的气体进行提纯，得到了较纯的H2和CH4，解决了发酵气体提纯的瓶颈问题；
6.本发明的所有涉及的所有反应都在常温常压下进行，不需要额外的控温控压装置，系统简单，节约能源。
附图说明

[0014] 图1为有机废弃物梯级转化产能系统及方法示意图。

[0015] 图2为微生物厌氧发酵制氢示意图。

[0016] 图3为沼气发酵示意图。

[0017] 图4为微生物燃料电池示意图。

具体实施方式

[0018] 下面结合实施案例对本发明作进一步的具体描述,但本发明的实施方式不限于此。

[0019] 具体实施案例：结合图1、图2、图3和图4，一种有机废弃物梯级转化产能系统及方法，包括如下步骤。

[0020] A．将生活餐厨废弃物和粪便等有机废弃物通入沉淀池内，经沉淀分为有机废水和固态有机物。

[0021] B．将有机废水通入①微生物厌氧发酵制氢系统，依次进行厌氧暗发酵和厌氧光发酵。

[0022] 暗发酵前需将有机废水的pH值调至6～9，可添加的厌氧暗发酵菌种有梭菌属（Clostridium）、类芽孢菌属（Paenibacillus）和肠杆菌科（Enterobacteriaceae）等。暗发酵细菌主要利用有机废水中的淀粉、脂肪、蛋白质、纤维素、糖类等大分子有机物进行发酵产氢。以将葡萄糖转化为乙酸、氢气和二氧化碳为例，暗发酵产氢的反应方程式为：将暗发酵后的有机废水pH值调至6～9进行厌氧光发酵制氢，光发酵细菌在厌氧和光照条件下，利用暗发酵产生的小分子有机酸继续产氢，可添加的光发酵细菌有红假单胞菌属（Rhodopseudomonas）、红杆菌属（Rhodobacter）和红螺菌属（Rhodospirillum）等。以乙酸为例，光发酵产氢的反应方程式为：
光发酵后的尾液还会残留一些有机物（COD较高），可以作为微生物燃料电池的原料。

[0023] C．给进入②沼气发酵系统的固态有机物接种活性污泥进行沼气发酵，发酵后的产物有沼渣、沼液和沼气。

[0024] 沼气生成过程包括三个阶段：液化阶段、产酸阶段和产甲烷阶段，CH4是在产甲烷阶段生成的，有以下两种途径：沼渣可运用于以下三个方面（：1）肥料：有机底肥、改良土壤等；（2）饲料：养猪、养鱼及蚯蚓等；（3）育苗营养土：栽培食用菌等。沼液有以下三方面的运用：（1）肥料：浸种、果蔬滴灌等（；2）生物农药：叶面喷施等（；3）微藻培养：通入燃料电池阴极室培养微藻。沼气的主要成分为CH4和CO2，其中CH4的含量一般可达60%以上。

[0025] D．将制氢系统和发酵系统的部分产物通入③微生物燃料电池系统中进一步利用。

[0026] 将微生物厌氧光发酵后的尾液通入阳极室，通过微生物（产电菌）代谢来氧化降解残留的有机物，尾液中的化学需氧量（COD）降解效率可达80%。有机物释放的电子传递到阳极，并通过外电路到达阴极形成电流，产生电能。与此同时，质子通过两室中间的质子交换膜进入阴极室1和阴极室2。以尾液中残留有乙酸根离子为例，微生物燃料电池工作时，阳极室内的电化学反应为：将部分沼液通入阴极室1和阴极室2，CO2和H2气体通入阴极室1，沼气（CH4和CO2）通入阴极室2。在光照系统1和光照系统2提供光照的情况下，阴极室内培养的微藻吸收气体中CO2进行光合作用，光合作用产生的O2作为阴极的氧化剂在催化剂的作用下与电子和由阳极传输来的H+结合为水，阴极室1排出的气体为提纯后的H2，阴极室2排出的气体为提纯后的CH4。
阴极室内发生的光合作用反应式为：
电化学反应方程式为：
沼液中的无机盐和微量元素被微藻生长所利用，阴极室1和阴极室2排出的液体都为净水。阴极室内可添加小球藻、螺旋藻、杜氏藻、硅藻、隐甲藻等微藻的一种或几种，这些藻类含有很高的油脂，是一种可再生生物质能源，可作为生物质能进一步加工利用。

[0027] 在具体实施案例中，上述的微生物燃料电池的阳极室和阴极室个数并不仅仅局限于1个和2个，可以根据需要进行组合。

[0028] 本发明提供的系统和方法，对有机废水进行梯级降解，实现了无害化处理；对固态有机物综合利用，实现了最大化能源生产；利用有机废弃物进行产能，实现了能量的有效回收。

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