专利名称：一种提高生物制氢产量的方法
技术领域：
本发明涉及一种提高生物制氢产量的方法，属于制氢工艺及环境保护工程技术领域。
背景技术：
氢能作为一种高效、清洁、可再生的燃料，正日益受到人们的重视。国际上的氢能制备工艺主要有电解制氢、热解制氢、光化制氢、放射能水解制氢、等离子电化学法制氢、矿石燃料制氢和生物制氢等。这些制氢技术都要消耗大量的化石能源，而且在生产过程中造成环境污染。生物制氢是一项利用微生物的生理代谢作用分解有机物从而产生氢气的生物工程技术，是一种符合可持续发展战略的、环境友好的制氢方法。微生物厌氧发酵产氢的反应原理是利用产氢微生物，在厌氧条件和酸性介质中代谢有机物产生氢气的过程，是对复杂有机物(如纤维素、脂肪和蛋白质等)进行降解，转化成 H2XO2和水的过程，是一个多类群细菌的协同代谢过程。厌氧发酵一般可分为4个阶段，分别为水解阶段，发酵酸化阶段，产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。厌氧发酵产氢是通过抑制厌氧消化过程中的酸性条件和产甲烷菌活性，中断产甲烷过程从而达到产生氢气的目的。其实质是产氢产酸发酵细菌对有机物质的发酵过程，将有机质分解为有机酸(乙酸、丁酸)和乙醇等产物，同时释放出发酵气压和C02。本发明采用的数学统计方法为响应曲面法中的D最优化设计。这种数学建模的统计方法通过对影响累积产氢体积和分子产氢量的各个因素的独立作用及各因素间的交互作用来建立模型从而预测得出最高的响应值即累积产氢体积和分子产氢量以及得到最大响应值的最优条件。目前人们对发酵法生物制氢的研究越来越多，常用葡萄糖、蔗糖、淀粉废水等来厌氧发酵法生物制氢，也有人采用秸秆、餐厨垃圾、城市有机固体废弃物和生活垃圾等。但是用初期堆肥渗滤液作为营养源的还没有相关的报导，更未有使用响应曲面法确定厌氧发酵产氢的最佳条件及产量。
发明内容
本发明的目的在于研究使用初期堆肥渗滤液作为营养源的可行性，通过响应曲面方法探索最优的渗滤液与外加葡萄糖的配比，再通过实验进行验证，从而获得最高生物制氢产量，同时实现渗滤液的资源化利用，减少使用人工合成基质。此外，得到最优化渗滤液和葡萄糖配比之后，本发明还将最优化的渗滤液加入量与饮料废水的共发酵实验将此方法应用在实际废水共发酵体系当中进行验证。本发明是一种提高生物制氢产量的方法，其特征在于以下过程和步骤
a.利用一套实验室反应装置在500毫升锥形瓶中投加一定量的污泥，该污泥由 0. 28^2. 0 mm的黑色颗粒组成；再加入作为营养源的混合液体，该混合液体由一定比例的初期堆肥渗滤液和一定含量的葡萄糖以及一定比例的果汁废水混合所得。
b.将上述所得的混合液体在锥形瓶内加以密封，并放在恒温水浴振荡器中进行厌氧发酵产氢；氢气从液面上方的排气管排出，渐渐进入注满水的集气瓶，气体会将采集气瓶中的水排到聚水罐中，根据集气瓶中显示的液面刻度计算氢气的产量；所述恒温水浴震荡器中控制的稳定为35 士 1°C ；初始pH值控制为5. 5 ；
c.通过利用响应曲面最优化设计，探索获得混合液体中最优的渗滤液与外加葡萄糖配比，再通过实验进行验证。本发明的机理如下所述微生物厌氧发酵产氢的反应原理是利用产氢微生物，在厌氧条件和酸性介质中代谢有机物产生氢气的过程。本发明是对初期堆肥厂渗滤液和糖果废水混合液中的有机物进行降解，转化成H2、CO2和水的过程。厌氧发酵一般可分为4个阶段，分别为水解阶段，发酵酸化阶段，产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。有机物在水解菌的作用下水解后转化为单体，随后进入发酵阶段，在发酵细菌作用下，这些单体转化为各种小分子物质，一种产氢产乙酸细菌将有机质分解为有机酸(乙酸、丁酸)和乙醇等产物，同时释放出发酵气压和C02。此反应过程通过抑制厌氧消化过程中产甲烷菌活性得以顺利进行。响应曲面法中的D最优化设计，通过对影响累积产氢体积和分子产氢量的各个因素的独立作用及各因素间的交互作用来建立模型从而预测得出最高的响应值即累积产氢体积和分子产氢量以及得到最大响应值的最优条件。本发明方法的特点和优点如下所述本发明使用初期堆肥渗滤液和果汁废水的混合液作为营养源替代人工合成基质，减少了生物产氢的成本。同时实现了初期堆肥渗滤液和糖果废水的资源化利用。本发明利用响应曲面法探索最优的渗滤液与外加葡萄糖的配比，再通过实验进行验证，将理论和实验有机结合起来。本发明的最终产物氢气是一种清洁的，可再生能源。
图1序批式实验装置简图2对于厌氧发酵过程中得到的分子产氢量响应曲面三维图； 图3为厌氧发酵过程中得到的分子产氢量响应曲面等高图； 图4为对于厌氧发酵过程中累积产氢体积的响应曲面三维图； 图5为对于厌氧发酵过程中累积产氢体积的响应曲面等高图； 图6为四组非模型设计条件下的累积产氢体积随着时间的变化关系。
具体实施例方式实施例一参见图1，本发明将500 mL锥形瓶、500 mL洗气瓶、1000 mL聚水灌组成一套反应装置，在500 mL锥形瓶中投加50 mL颗粒污泥与400 mL试验用混合液体，混合液体由一定比例的垃圾填埋初期渗滤液分别和一定含量的葡萄糖以及一定比例的果汁废水混合所得。将装有混合液体的锥形瓶密封，放在恒温水浴振荡器进行厌氧发酵产氢，产气从液面上方的排气管中排出，渐渐进入注满水的集气瓶，气体会将集气瓶中的水排到聚水灌中，根据集气瓶中的显示的液面刻度，计算产气的量。实验中初始加入渗滤液和葡萄糖的配比由响应曲面设计软件设计所得。如表1，其中&，&代表两自变量分别为实验设计所得的葡萄糖和渗滤液含量。
表1初始葡萄糖与渗滤液配比
权利要求
1. 一种提高生物制氢产量的方法，其特征在于以下过程和步骤a.利用一套实验室反应装置在500毫升锥形瓶中投加一定量的污泥，该污泥由 0. 28^2. 0 mm的黑色颗粒组成；再加入作为营养源的混合液体，该混合液体由一定比例的初期堆肥渗滤液和一定含量的葡萄糖以及一定比例的果汁废水混合所得；b.将上述所得的混合液体在锥形瓶内加以密封，并放在恒温水浴振荡器中进行厌氧发酵产氢；氢气从液面上方的排气管排出，渐渐进入注满水的集气瓶，气体会将采集气瓶中的水排到聚水罐中，根据集气瓶中显示的液面刻度计算氢气的产量；所述恒温水浴震荡器中控制的稳定为35士 1°C ；初始pH值控制为5.5;c.通过利用响应曲面最优化设计，探索获得混合液体中最优的渗滤液与外加葡萄糖配比，再通过实验进行验证。
全文摘要
本发明涉及一种提高生物制氢产量的方法，属于制氢工艺及环境保护工程技术领域。本发明验证了以渗滤液作为外加营养源在中温条件下产氢的可行性，并通过响应曲面模型预测出在外加葡萄糖含量为6174.93mg/L渗滤液有机负荷为3883.20mgCOD/L时得到最高分子产氢量为(1.60molH2/mol葡萄糖)和最高累积产氢体积469.74mL。验证实验的值和相应曲面的预测值大体相近，这证明了模型预测的最佳值的可靠性。乙酸和丁酸在有实验中是最主要的可溶性产物。乙酸和丁酸平均占总挥发性脂肪酸的44%和39%左右。本实验中，所有的反应发酵类型为丁酸型发酵类型。
文档编号C12P3/00GK102242155SQ20111013788
公开日2011年11月16日 申请日期2011年5月26日 优先权日2011年5月26日
发明者刘强, 周英梅, 张晓磊, 李洋, 边华丹 申请人:上海大学