一种间歇微氧曝气发酵制氢设备及其制氢方法

技术领域

本发明涉及间歇微氧曝气发酵制氢技术领域，尤其涉及一种间歇微氧曝气发酵制氢设备及其制氢方法。

背景技术

能源是人类赖以生存和进行生产的重要物质基础。目前，世界能源结构中化石能源占据主导地位，但随着人类社会的不断发展，化石能源的枯竭是不可避免的。同时，化石能源在使用过程中会造成环境污染和生态破坏等相关问题，而氢气作为一种清洁可再生能源已受到许多国家政府和研究机构的重视，使得产氢技术得到迅速发展。目前常用的产氢技术主要有电解产氢、热解产氢、光化产氢、矿石燃料产氢和生物产氢等，除生物产氢技术外，其它技术均需消耗大量能源，在产氢的同时对环境造成污染，而生物产氢技术对环境影响较小，且节约能源。生物法制氢主要有光合作用制氢和厌氧发酵制氢。厌氧发酵制氢与光合产氢相比有很多优势，如：发酵产氢菌种产氢能力较光合产氢菌强；发酵产氢原料较光合产氢广，且成本低廉。可见，厌氧发酵产氢是较理想的制氢方法。

厌氧发酵三阶段理论：第一阶段，有机物水解和发酵细菌作用下，使碳水化合物、蛋白质与脂肪转化为单糖氨基酸、脂肪酸、甘油等；第二阶段，把第一阶段产物转化为H2、CO2和CH3COOH；第三阶段通过两组生理物质上不同产CH4菌作用，将H2和CO2转化为CH4，对CH3 COOH脱羧产生CH4。厌氧发酵制氢是将发酵过程控制在第二阶段，但在实际发酵制氢过程中会有产甲烷菌(耗氢菌)消耗系统内氢气，影响制氢效率。目前常用抑制耗氢菌活性的方法主要是对厌氧污泥进行预处理，如碱处理、超声波处理、热处理等。污泥经预处理后可有效抑制耗氢菌活性而富集产氢菌，但无论采取哪种预处理方法都不能根除厌氧发酵系统内的耗氢菌，一旦环境条件适宜，部分耗氢菌活性会得到恢复，影响产氢效率。有研究以葡萄糖废水为基质进行连续发酵产氢研究时发现，系统中有同型产乙酸菌的存在，且由其代谢的耗氢速率可达0.33mmol/(g·d)。采用碱处理污泥为基质进行厌氧发酵产氢试验，在发酵初期氢气产量较高，但随着发酵时间的延长，各组试验均出现了耗氢菌对氢气的消耗现象。

综上所述，如何去除或抑制连续发酵产氢系统中耗氢菌活性，提高系统持续产氢效能；是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提出一种间歇微氧曝气发酵制氢设备，旨在通过监测到发酵罐内的氧化还原电位，向发酵罐内充入纯氧，可有效抑制发酵过程中耗氢菌活性，提高发酵制氢效率。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种间歇微氧曝气发酵制氢设备，包括发酵罐、氧化还原电位测定仪、控制器及氧气罐，所述发酵罐内形成有发酵腔；所述氧化还原电位测定仪设在所述发酵罐上，并延伸至所述发酵腔内；所述控制器设在所述发酵罐外侧，且所述氧化还原电位测定仪电连接于所述控制器；所述氧气罐与所述发酵罐并列设置，且所述氧气罐与所述发酵罐的发酵腔连通，且所述控制器连接所述氧气罐，用于控制所述氧气罐朝向所述发酵罐供氧。

在本发明一实施例中，所述氧气罐通过管道连通于发酵腔，所述间歇微氧曝气发酵制氢设备还包括电磁阀和布气装置，所述电磁阀设在所述管道上，并电性连接于所述控制器，用于控制管道的开或闭；所述布气装置设在所述管道的端部，并位于所述发酵腔内。

在本发明一实施例中，所述间歇微氧曝气发酵制氢设备还包括风机，所述风机设在管道上，并位于所述布气装置和所述电磁阀之间。

在本发明一实施例中，所述发酵罐的腔壁上设置有气体出口，所述气体出口位于所述发酵罐的顶部，所述气体出口连通于所述发酵罐；所述氧气罐通过管道连通于发酵腔，所述间歇微氧曝气发酵制氢设备还包括水封箱，所述气体出口通过气管连通在所述水封箱内。

在本发明一实施例中，所述发酵罐的腔壁上设置有出料口，所述出料口位于所述发酵罐的底部，并与所述发酵腔连通。

为解决上述技术问题，本发明还提出一种间歇微氧曝气发酵制氢方法，所述间歇微氧曝气发酵制氢方法包括以下步骤：

有机物和发酵细菌在发酵罐内发酵；

氧化还原电位测定仪监测到发酵罐内氧化还原电位，以对发酵罐进行供氧或停止供氧；

发酵罐内产生产物氢气。

在本发明一实施例中，所述氧化还原电位测定仪监测到发酵罐内氧化还原电位，以对发酵罐进行供氧或停止供氧的步骤包括：

当氧化还原电位测定仪监测到发酵罐内氧化还原电位小于-200mv时，控制电磁阀打开，氧气罐内氧气通过风机压入布气装置并进入发酵罐；

当氧化还原电位测定仪监测到发酵罐内氧化还原电位大于+300mv时，控制电磁阀关闭，停止对发酵罐供氧。

本发明的技术方案，通过在发酵罐内设置氧化还原电位测定仪，以监测发酵腔内的氧化还原电位，并将数据信息反馈于控制器，控制器根据阈值设置，控制氧气罐是否给发酵罐供氧，以使发酵罐的氧化还原电位保持在一定范围内，通过向发酵罐内充入纯氧可有效抑制发酵过程中耗氢菌活性，提高发酵制氢效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明所述间歇微氧曝气发酵制氢设备的结构示意图；

图2为本发明所述间歇微氧曝气发酵制氢方法步骤流程图；

图3为本发明所述间歇微氧曝气发酵制氢方法步骤流程图。

附图标号说明：

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“若干”、“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种间歇微氧曝气发酵制氢设备，旨在通过监测到发酵罐内的氧化还原电位，向发酵罐内充入纯氧，可有效抑制发酵过程中耗氢菌活性，提高发酵制氢效率。

下面将在具体实施例中对本发明提出的间歇微氧曝气发酵制氢设备的具体结构进行说明：

在本实施例的技术方案中，如图1所示，一种间歇微氧曝气发酵制氢设备，包括发酵罐1、氧化还原电位测定仪4、控制器3及氧气罐8，所述发酵罐1内形成有发酵腔；所述氧化还原电位测定仪4设在所述发酵罐1上，并延伸至所述发酵腔内；所述控制器3设在所述发酵罐1外侧，且所述氧化还原电位测定仪4电连接于所述控制器3；所述氧气罐8与所述发酵罐1并列设置，且所述氧气罐8与所述发酵罐1的发酵腔连通，且所述控制器3连接所述氧气罐8，用于控制所述氧气罐8朝向所述发酵罐1供氧。

可以理解地，通过在发酵罐1内设置氧化还原电位测定仪4，以监测发酵腔内的氧化还原电位，并将数据信息反馈于控制器3，控制器3根据阈值设置，控制氧气罐8是否给发酵罐1供氧，以使发酵罐1的氧化还原电位保持在一定范围内，通过向发酵罐1内充入纯氧可有效抑制发酵过程中耗氢菌活性，提高发酵制氢效率。

具体地，在实际发酵制氢过程中会有产甲烷菌(耗氢菌)消耗系统内氢气，影响制氢效率，耗氢菌是一种厌氧菌，经研究发现，当氧化还原电位值高于-200mv时，就能够抑制耗氢菌的生长，但是不会影响发酵细菌的生长，而当氧气还原电位值高于+300mv时，则会抑制发酵菌的生长，故可通过氧化还原电位测定仪4监测发酵罐1的发酵腔内的氧化还原电位值，进而将数值信息传送至控制器3，控制器3控制氧气罐8是否给发酵罐1供氧，具体地，当氧化还原电位值低于-200mv时，控制器3控制氧气罐8朝向发酵腔内供氧，当氧化还原电位值达到+300mv时，控制器3控制氧气罐8停止向发酵腔内供氧，依次实现抑制耗氢菌活性，进而提高发酵制氢效率。

在本发明一实施例中，所述氧气罐8通过管道6连通于发酵腔，所述间歇微氧曝气发酵制氢设备还包括电磁阀7和布气装置5，所述电磁阀7设在所述管道6上，并电性连接于所述控制器3，用于控制管道6的开或闭；所述布气装置5设在所述管道6的端部，并位于所述发酵腔内。

可以理解地，氧气罐8通过管道6连通于发酵腔，通过在管道6上设置电磁阀7，控制器3电性连接电磁阀7，以通过控制器3控制电磁阀7的开关，进而控制氧气罐8是否朝向发酵罐1供氧；布气装置5设在在管道6的端部，位于发酵腔内，用于向发酵腔内均匀供氧。

在本发明一实施例中，所述间歇微氧曝气发酵制氢设备还包括风机9，所述风机9设在管道6上，并位于所述布气装置5和所述电磁阀7之间。

可以理解地，通过设置在管道6上设置风机9，以使氧气罐8内的氧气更容易朝向发酵罐1内流动，控制器3连接于风机9，当打开电磁阀7时，同步打开风机9。

在本发明一实施例中，所述发酵罐1的腔壁上设置有气体出口10，所述气体出口10位于所述发酵罐1的顶部，所述气体出口10连通于所述发酵罐1；所述氧气罐8通过管道6连通于发酵腔，所述间歇微氧曝气发酵制氢设备还包括水封箱2，所述气体出口10通过气管连通在所述水封箱2内。

可以理解地，通过在发酵罐1上设置气体出口10，用于排气，为了防止外界空气进入发酵腔内，通过设置水封箱2，将气体出口10通过气管连通在水封箱2内，进而实现排气。

在本发明一实施例中，所述发酵罐1的腔壁上设置有出料口，所述出料口位于所述发酵罐1的底部，并与所述发酵腔连通。

可以理解地，通过设置出料口，以用于出料，对应的，在发酵罐1的顶部设置有进料口。

为解决上述技术问题，如图2所示，本发明还提出一种间歇微氧曝气发酵制氢方法，所述间歇微氧曝气发酵制氢方法包括以下步骤：

S10：有机物和发酵细菌在发酵罐内发酵；

S20：氧化还原电位测定仪监测到发酵罐内氧化还原电位，以对发酵罐进行供氧或停止供氧；

S30：发酵罐内产生产物氢气。

在本发明一实施例中，如图3所示，所述氧化还原电位测定仪监测到发酵罐内氧化还原电位，以对发酵罐进行供氧或停止供氧的步骤包括：

S21：当氧化还原电位测定仪监测到发酵罐内氧化还原电位小于-200mv时，控制电磁阀打开，氧气罐内氧气通过风机压入布气装置并进入发酵罐；

S22：当氧化还原电位测定仪监测到发酵罐内氧化还原电位大于+300mv时，控制电磁阀关闭，停止对发酵罐供氧。

可以理解地，氧化还原电位测定仪实时监测发酵罐内氧化还原电位的氧化还原电位值，当发酵罐内氧化还原电位小于-200mv时，控制器控制电磁阀打开，风机开始工作，氧气罐内氧气通过管道和布气装置进入发酵罐，提高发酵罐内氧化还原电位值，抑制耗氢菌活性，降低耗氢菌对已产氢气的消耗，提供厌氧发酵制氢效率；当氧化还原电位测定仪监测到发酵罐内氧化还原电位大于+300mv时，控制器控制电磁阀关闭，风机停止工作，防止发酵罐内氧化还原电位过高影响产氢菌活性，厌氧发酵制氢过程中产气通过发酵产气出口流出，发酵产气出口与水封箱连接，控制发酵罐内的发酵环境。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。