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基本信息

項(xiàng)目名稱：
一體化除苔產(chǎn)氫系統(tǒng)開發(fā)
小類：
能源化工
簡介：
本項(xiàng)目主要研究利用微生物厭氧發(fā)酵技術(shù)，以滸苔為底物制取氫氣。結(jié)合傳統(tǒng)CSTR和UASB兩種制氫反應(yīng)器，設(shè)計(jì)了新型的反應(yīng)器，應(yīng)用于具體的實(shí)驗(yàn)。并且通過結(jié)合太陽能設(shè)備、閉式水循環(huán)系統(tǒng)、單片機(jī)自動控制系統(tǒng)來提高設(shè)備的自動化程度和產(chǎn)氫效率。模擬了一座總有效容積為400m3生物制氫基地，生產(chǎn)氫氣的成本為0.78~0.89元/m3，產(chǎn)氣年耗電量為32120千瓦時(shí)，基地年發(fā)電量為2070402.44千瓦時(shí)。該技術(shù)不僅處理了滸苔等破壞水體生態(tài)系統(tǒng)的典型藻類污染物，減少環(huán)境污染，而且產(chǎn)生了清潔能源，解決了環(huán)境污染和能源緊缺的雙重危機(jī)。
詳細(xì)介紹：
滸苔是一種蔓延速度極快的浮游生物，它的大規(guī)模繁殖對海洋生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞，并造成了巨大的經(jīng)濟(jì)開銷，據(jù)統(tǒng)計(jì)全國每年處理海藻污染的費(fèi)用高達(dá)三千多萬元。本設(shè)計(jì)以滸苔為底物，自主設(shè)計(jì)了厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，研發(fā)了一體化除苔產(chǎn)氫系統(tǒng)，利用厭氧發(fā)酵技術(shù)處理滸苔并產(chǎn)生新能源——?dú)錃狻? 滸苔處理過程主要分為預(yù)處理、厭氧發(fā)酵反應(yīng)、出水處理及氫能轉(zhuǎn)化三個(gè)步驟，詳細(xì)說明如下：（1）首先以滸苔為底物，用粉碎機(jī)粉碎，對其進(jìn)行酸化預(yù)處理;隨后，根據(jù)負(fù)荷曲線，在配水箱對酸化后的滸苔進(jìn)行濃度和PH的調(diào)節(jié)；(2)調(diào)節(jié)好的進(jìn)水通過蠕動泵被送入一體化反應(yīng)器的上部--連續(xù)攪拌反應(yīng)器，進(jìn)行初期反應(yīng)，并產(chǎn)生少量氫氣?？傔M(jìn)水在上部反應(yīng)器內(nèi)停留一段時(shí)間后，通過上部出水沿溢出，靠自身的重力作用進(jìn)入升流式反應(yīng)器的下部，反應(yīng)器由一個(gè)循環(huán)泵帶動整個(gè)升流式反應(yīng)器內(nèi)的污泥實(shí)現(xiàn)循環(huán)，整個(gè)反應(yīng)器的恒定溫度由恒溫箱和單片機(jī)自控裝置實(shí)現(xiàn)，被充分消化后的水從升流式反應(yīng)器上沿溢出進(jìn)入曝氣池；（3）兩個(gè)反應(yīng)器產(chǎn)生的氫氣從導(dǎo)氣管首先進(jìn)入濾氣瓶，去除雜質(zhì)氣體，除雜后的氣體進(jìn)入流量計(jì)測出其產(chǎn)量，最終氫氣通過燃料電池轉(zhuǎn)化為電能。最后將厭氧反應(yīng)區(qū)出水進(jìn)行好氧處理，使出水達(dá)標(biāo)，并將出水再導(dǎo)回投藥箱，配成新的進(jìn)水，以達(dá)到充分節(jié)約水資源的目的。 系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1.選取極易造成海洋污染的滸苔作為底物，將厭氧發(fā)酵技術(shù)引入處理過程，開發(fā)了一套操作簡單的連續(xù)流產(chǎn)能模型，把藻類廢棄物中的多糖、纖維素等碳水化合物轉(zhuǎn)化為氫能，實(shí)現(xiàn)廢物利用。2.結(jié)合CSTR和UASB兩種反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)，自主設(shè)計(jì)了一體化連續(xù)流反應(yīng)器，一方面具有CSRT反應(yīng)器物料混合均勻、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)， 另一方面具有UASB反應(yīng)器反應(yīng)濃度高，運(yùn)行能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠?qū)Φ孜镞M(jìn)行二次處理，最大程度的利用底物，提高產(chǎn)氫效率。3.該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從進(jìn)料—厭氧反應(yīng)—產(chǎn)生氫氣—電能轉(zhuǎn)化和出水回收的完整運(yùn)行，并且維持系統(tǒng)運(yùn)行的大部分能量來自太陽能，有效地減少了電能消耗；水循環(huán)采用閉式循環(huán)方式，完全回收系統(tǒng)排水，整個(gè)過程只需補(bǔ)充少量因蒸發(fā)引起的水損失即可保證系統(tǒng)連續(xù)有效運(yùn)行，達(dá)到了節(jié)約水資源的效果。4.通過自行設(shè)計(jì)的單片機(jī)輔助控制系統(tǒng)運(yùn)行，保證系統(tǒng)的反應(yīng)溫度穩(wěn)定，運(yùn)行安全可靠。 通過實(shí)驗(yàn)研究了容積負(fù)荷、堿度、pH值、ORP等參數(shù)對系統(tǒng)產(chǎn)氫能力的影響，獲得最佳的控制參數(shù)：當(dāng)容積負(fù)荷為25～40kgCOD/(m3.d)；ORP為-450mV～-400mV；出水pH值為4～6；溫度為37±1 ℃；HRT為7h該反應(yīng)器的最大產(chǎn)氣能力為10.3L/(L反應(yīng)器*d)。 利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行模擬仿真，并利用分離相關(guān)權(quán)值法對關(guān)鍵性調(diào)控因子(pH、容積負(fù)荷、堿度、ORP)對反應(yīng)器運(yùn)行效果的影響大小進(jìn)行排序，結(jié)果為：容積負(fù)荷>pH值>ORP>堿度。通過模擬仿真確定主體工藝與各參數(shù)的匹配關(guān)系以及優(yōu)化組合方式，以此為確定工程菌的最佳發(fā)酵條件、最佳發(fā)酵類型、最大產(chǎn)氫能力等提供依據(jù)，最終提出調(diào)控策略。 此外，模擬了一座總有效容積為400m3生物制氫基地，年處理滸苔9172.45t。對以此為底物的生物制氫技術(shù)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析：產(chǎn)氫量每年127.75~146萬m3。生產(chǎn)氫氣的成本為0.78~0.89元/m3，產(chǎn)氣年耗電量為32120千瓦時(shí)，與此相對應(yīng)的是基地年發(fā)電量為2070402.44千瓦時(shí)。我國海洋面積廣闊，滸苔容易獲得。按照如上基地如果用來發(fā)電，按照燃料電池80%轉(zhuǎn)換效率計(jì)算，每年可以發(fā)電207萬千瓦時(shí)，而每年的耗電量僅為3.2萬千瓦時(shí)。由此可見，本項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益是巨大的。在化石燃料價(jià)格上漲、能源短缺、環(huán)境問題日益突出的今天，如果形成產(chǎn)業(yè)的話，既可以有效地提高人民的生活水平，又可以有效地保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境。

作品圖片

  • 一體化除苔產(chǎn)氫系統(tǒng)開發(fā)
  • 一體化除苔產(chǎn)氫系統(tǒng)開發(fā)
  • 一體化除苔產(chǎn)氫系統(tǒng)開發(fā)

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

1. 作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的 滸苔——一種綠藻，08年夏天,作為奧帆賽場地的青島爆發(fā)了滸苔大規(guī)模繁殖的事件，造成了極其惡劣的影響和嚴(yán)重的環(huán)境污染。然而常規(guī)的處理方法既不能從根本上解決問題，同時(shí)也是一種資源的浪費(fèi)。我們自主設(shè)計(jì)并制作了一體化除苔產(chǎn)氫系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從進(jìn)料—厭氧反應(yīng)—產(chǎn)生氫氣—電能轉(zhuǎn)化和出水回收的完整運(yùn)行，并且維持系統(tǒng)運(yùn)行的大部分能量來自太陽能，采用閉式水循環(huán)方式，節(jié)約水資源。使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到處理海洋污染和高效產(chǎn)能的目的。 2. 基本思路 采用滸苔作為原材料，通過控制限制性生態(tài)因子的定量化組合，使一體化反應(yīng)器中厭氧發(fā)酵能夠達(dá)到最佳的反應(yīng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高效產(chǎn)氫。厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的氫氣經(jīng)過加壓裝置燃料電池轉(zhuǎn)變成電能。同時(shí)將剩余底物進(jìn)行好氧處理以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。 3. 創(chuàng)新點(diǎn) 1)選用滸苔為底物產(chǎn)氫；2)自主設(shè)計(jì)制作了一體化反應(yīng)器；3)具有一套完整的除苔產(chǎn)氫系統(tǒng) 4. 技術(shù)關(guān)鍵 1)設(shè)計(jì)、調(diào)試和優(yōu)化新型反應(yīng)器；2)滸苔的預(yù)處理方法，處理環(huán)境條件的確定；3)量化系統(tǒng)各生態(tài)因子的主次關(guān)系，制定合理的控制、實(shí)驗(yàn)方案；4)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)自控一體化。 5. 主要技術(shù)指標(biāo) 1)樣機(jī)：將滸苔完全處理，同時(shí)高效產(chǎn)氫，產(chǎn)氫率大于5.15L/(L反應(yīng)器.d)；2)溫度、PH、ORP、COD等最佳控制參數(shù)，并利用MATLAB等相關(guān)仿真技術(shù)得到相應(yīng)的調(diào)控對策；3)系統(tǒng)模型：連續(xù)產(chǎn)氫；4)燃料電池發(fā)電：連續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

科學(xué)性、先進(jìn)性

作品的科學(xué)性、先進(jìn)性： （一）主體發(fā)酵系統(tǒng) 本反應(yīng)器系統(tǒng)與現(xiàn)有反應(yīng)器相比特點(diǎn)如下：1）有兩個(gè)反應(yīng)區(qū)， CSTR反應(yīng)區(qū)位于UASB反應(yīng)區(qū)的上部，CSTR出水通過導(dǎo)管可進(jìn)入U(xiǎn)ASB反應(yīng)區(qū)繼續(xù)發(fā)酵，提高了系統(tǒng)的耐沖擊性和效率[1-2]；2）實(shí)現(xiàn)了有機(jī)物預(yù)處理到高效產(chǎn)能的一體化；3）采用太陽能供熱裝置，節(jié)省了電能；4）整個(gè)系統(tǒng)采用閉式水循環(huán)設(shè)計(jì)，節(jié)約水資源。 （二）制氫底物 以往制氫研究，底物多為可溶性糖、淀粉及其有機(jī)廢水，以海洋藻類為原料的發(fā)酵產(chǎn)氫研究并不多見[3]。利用滸苔進(jìn)行生物制氫的研究，尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。 參考文獻(xiàn)： [1] 任南琪. 有機(jī)廢水發(fā)酵法生物制氫設(shè)備[P].中國: 92114474?1, 1992. [2] 馬東輝. 升流式厭氧污泥床UASB工藝概論. 科技信息2009/01. [3] 潘春梅，李卓，樊耀，金美方.海藻類生物質(zhì)廢棄物的發(fā)酵生物制氫研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2009，32(2):1-4.

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

2009年5月學(xué)校舉辦的“XX杯學(xué)生創(chuàng)新大賽”中獲得一等獎(jiǎng)。

作品所處階段

試驗(yàn)運(yùn)行

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無

作品可展示的形式

實(shí)物、 模型、 圖紙 、 現(xiàn)場演示 、圖片 、 錄像

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

1.技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢 從底物來看，滸苔降解和利用的難度大，我們對它的生物處理與產(chǎn)能利用也證明了本技術(shù)的先進(jìn)性，從整個(gè)系統(tǒng)來看，一體化除苔產(chǎn)氫系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從進(jìn)料—厭氧反應(yīng)—產(chǎn)生氫氣—電能轉(zhuǎn)化和出水回收的完整穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了高效連續(xù)流運(yùn)行。 2. 適應(yīng)范圍 本系統(tǒng)雖以滸苔為試驗(yàn)底物，但同樣對于其他類型藻類污染的處理具有很大的參考價(jià)值。若實(shí)際應(yīng)用于商業(yè)運(yùn)作時(shí)，適用于藻類經(jīng)常爆發(fā)的沿海城市以及內(nèi)陸污染嚴(yán)重的湖泊江河。把海洋污染轉(zhuǎn)變成為有效氫能源的利用，所以有著廣闊的適用前景。 3. 市場分析及經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測 對以滸苔為底物的生物制氫技術(shù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析：模擬一座400m3的生物制氫基地，該基地一年可處理滸苔9172.45噸，產(chǎn)氫量每年可達(dá)127.75-146萬m3。而與此相對應(yīng)的是基地每年發(fā)電2070402.44千瓦時(shí)。由此可以看出，采用厭氧發(fā)酵制氫技術(shù)處理滸苔，不僅減少了環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)能量正輸出，而且產(chǎn)生了清潔能源，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

同類課題研究水平概述

1 發(fā)酵法生物制氫技術(shù)采用的底物 在發(fā)酵法生物制氫的諸多研究中，所用的底物大多局限在可溶性糖、淀粉及其相應(yīng)的有機(jī)廢水。XX教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組開創(chuàng)了“有機(jī)廢水乙醇型發(fā)酵法生物制氫技術(shù)”[1]。XX大學(xué)XX教授利用自行設(shè)計(jì)的連續(xù)流攪拌槽式反應(yīng)器（CSTR）進(jìn)行蜜糖發(fā)酵產(chǎn)氫研究，提出了乙醇型發(fā)酵產(chǎn)氫的理論[2]。 研究表明，有的微生物也可以利用富含纖維素和半纖維素等復(fù)雜大分子的生物質(zhì)作為發(fā)酵產(chǎn)氫的底物。以海洋藻類生物質(zhì)為底物的發(fā)酵產(chǎn)氫研究還很少見。國內(nèi)潘春梅等人在他們進(jìn)行的海帶發(fā)酵產(chǎn)氫研究中，海帶最大產(chǎn)氫能力為104.40mL/g TVS，最大氫濃度為32.6%，且沒有檢測到甲烷氣體存在。液相中主要發(fā)酵末端產(chǎn)物為乙醇、乙酸和丁醇[3]。 2 厭氧發(fā)酵反應(yīng)器 目前較為成熟的厭氧生物制氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)有UASB（升流式反應(yīng)器）和CSTR（連續(xù)攪拌式反應(yīng)器）兩種。UASB對水質(zhì)和負(fù)荷突然變化較敏感，耐沖擊力稍差；CSTR能量消耗較高，出水底物濃度較高。 國內(nèi)外研究者對反應(yīng)器進(jìn)行改進(jìn)以提高發(fā)酵產(chǎn)氫能力，并研究其產(chǎn)氫特性。其中，帶攪拌器的CSTR反應(yīng)器在發(fā)酵產(chǎn)氫中應(yīng)用最多。2006年Hariklia N Gavala等進(jìn)行了以葡萄糖為底物，厭氧消化污泥為產(chǎn)氫微生物的實(shí)驗(yàn)。 3 厭氧產(chǎn)氫影響因素的研究 目前針對發(fā)酵產(chǎn)氫生態(tài)因子控制的研究，主要集中于對特定微生物產(chǎn)氫過程中溫度、COD濃度、pH、氧化還原電位(ORP)和金屬離子等的影響方面。為了研究各種因素的影響，很多學(xué)者做了大量的工作。如KUMAR等[4]證明了Enterobacter cloacae在36℃時(shí)具有最大的產(chǎn)氫速率。 參考文獻(xiàn)： [1] 任南琪，李建政.生物制氫技術(shù)[J]. 太陽能學(xué)報(bào)，2003(2)：4-5. [2] 任南琪，王寶貞，有機(jī)廢水處理生物制氫技術(shù)[J].中國環(huán)境科學(xué),1994.14（6）：411-415. [3] 史仲平，潘豐.發(fā)酵過程解析、控制與檢測技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005. [4] KUMAR N，DSA D. Enhancement of hydrogen production by Enterobactercloacae ⅡT-BT 08[J]. Process Biochem, 2000, 35: 589-593.
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