垃圾厌氧发酵制氢的方法及其制氢发酵罐

技术领域

本发明涉及环保技术领域，具体为垃圾厌氧发酵制氢的方法。

背景技术

厨余垃圾是我国城市生活垃圾的主要成分，厨余垃圾是指居民日常生活及食品加工、饮食服务、单位供餐等活动中产生的垃圾，包括丢弃不用的菜叶、剩菜、剩饭、果皮、蛋壳、茶渣、骨头等，其主要来源为家庭厨房、餐厅、饭店、食堂、市场及其他与食品加工有关的行业。

现阶段，厌氧发酵是厨余垃圾的主要处理手段，但由于厨余垃圾含水率极高，且难以实现固液分离，导致其厌氧发酵不彻底，产氢速率低下，在对垃圾进行发酵过程中，将发酵物和发酵液不分层的混合在一起，使得垃圾厌氧发酵制氢速率较低下，影响对垃圾的处理速率。

发明内容

首先，本发明的目的在于提供垃圾厌氧发酵制氢的方法，以解决上述背景技术中提出的因发酵物和发酵液不分层而导致垃圾厌氧发酵制氢速率较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：垃圾厌氧发酵制氢的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S1：有机质分离；具体是指：在垃圾中提炼出含有有机质的发酵原料；

步骤S2：发酵原料加工；具体是指：对分离出的含有有机质的发酵原料进行干燥，干燥完毕后使用破碎设备将其制成粉末；

步骤S3：发酵液制备；具体是指：在营养液中依次加入不同质量比的发酵细菌群；其中，所述发酵细菌群包括丁酸梭菌、嗜热乳酸菌、巴士梭菌、类腐败梭菌和阴沟肠杆菌；

步骤S4：发酵制氢；具体是指：将发酵原料粉末和发酵液分层的依次交错的投入到制氢发酵罐中，随后封闭制氢发酵罐，进行3-7天的密封发酵；

步骤S5：氢气收集；具体是指：将制氢发酵罐中所产生的氢气通过洗气罐中进行洗气；

步骤S6：氢气存储；具体是指：将洗气完毕的氢气通过空气压缩机压缩到储气罐中，完成氢气的制备。

更进一步地，所述步骤S1中发酵原料的有机质含量大于等于60%，所述发酵原料的含水率小于等于40%。

更进一步地，所述步骤S2中的发酵原料干燥后水分含量小于等于10%，所述发酵原料破碎后的粉末颗粒直径在5-10mm之间。

更进一步地，所述步骤S3中的营养液的成分包括（60-70%）水、（15-20%）葡萄糖、（15-20%）硝酸钠，所述发酵细菌群内部的细菌的菌落比为丁酸梭菌：嗜热乳酸菌：巴士梭菌：类腐败梭菌：阴沟肠杆菌=1：（1-2）：（2-3）：（1-2）：（1-2），每升营养液中添加质量为200-250g的发酵细菌群。

更进一步地，所述步骤S4中每千克的发酵原料粉末使用800-1000毫升的发酵液，每层发酵原料粉末的厚度为2-3cm。

更进一步地，所述步骤S4中制氢发酵罐内部的pH值控制在5-8之间，所述制氢发酵罐内部的温度控制在35-55℃之间。

本发明还提供了一种制氢发酵罐，用于垃圾厌氧发酵制氢。所述制氢发酵罐包括外罐，外罐内部设置有内罐，内罐外壁和外罐内壁之间圆周均匀设置有多个加热竖管，外罐顶端内壁和内罐上部外壁之间固定有密封环板，内罐顶端设置有密封罐盖，密封罐盖与内罐之间通过圆周均匀设置在密封罐盖四周的多个密封卡扣相密封，内罐内壁上部设置有喷洒结构，内罐上设置有连通控制结构，外罐底端设置有支撑结构，密封罐盖上固定有把手，外罐正面设置有控制面板。

更进一步地，所述喷洒结构包括固定在内罐内壁上部的环管，环管底端圆周均匀设置有多个喷头，环管一侧连通有横向进液管，连通控制结构包括设置在密封罐盖上一侧的通氢管，内罐底端向外连通有与外罐相固定的排料管，支撑结构包括圆周均匀固定在外罐底端的多个支撑腿，支撑腿底端固定有支撑块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明所述垃圾厌氧发酵制氢的方法，通过将发酵原料粉末和发酵液分层交错的投入进制氢发酵罐中进行发酵，使得发酵原料粉末能够发酵的更加完全，从而厌氧发酵制氢速率提升，提高了对垃圾的处理速率。

（2）本发明所述垃圾厌氧发酵制氢的方法，其发酵过程中，巴士梭菌菌落比最高，因为巴士梭菌的固氮作用强，保证其他微生物发酵过程中氮源摄取的稳定，从而能够更好的在发酵过程中起到重要作用。

（3）本发明还提供了一种结构与现有技术不同的制氢发酵罐，在制备氢气时，打开所述制氢发酵罐的密封罐盖，铺洒一层发酵原料粉末，再控制喷头喷出一层发酵液，通过与喷淋的形式进行发酵液的喷射能够均匀的覆盖被发酵五，依次将发酵原料粉末和发酵液多次投入进制氢发酵罐中即可，投放完成后封闭所述制氢发酵罐，进行发酵工作，微生物稳定发酵需要尽快达到指定的温度，发酵罐中的加热竖管能够提高制氢发酵罐内的初始温度，在低温环境中对发酵的初始阶段速度的提升尤为明显，密封卡扣使得所述制氢发酵罐的密封性更好，保证了发酵过程的进行。

附图说明

图1为本发明中制氢发酵罐的立体结构示意图；

图2为本发明中制氢发酵罐的正视图；

图3为本发明中制氢发酵罐的立体拆分结构示意图。

图中：1、外罐；101、支撑腿；102、控制面板；103、密封环板；2、内罐；201、密封罐盖；202、密封卡扣；203、通氢管；204、排料管；3、进液管；301、环管；302、喷头；4、加热竖管。

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做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。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件所必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，应当理解，为了便于描述，附图中所示出的各个部件的尺寸并不按照实际的比例关系绘制，例如某些层的厚度或宽度可以相对于其他层有所夸大。

应注意的是，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义或说明，则在随后的附图的说明中将不需要再对其进行进一步的具体讨论和描述。

如图1-图3所示为本发明提供的一种垃圾厌氧发酵制氢的方法中用于发酵制氢的制氢发酵罐，包括外罐1，外罐1内部设置有内罐2，外罐1与内罐2底部固定，内罐2外壁和外罐1内壁之间圆周均匀设置有多个加热竖管4，方便起到温控的作用，对所述制氢发酵罐内的温度进行调节控制，外罐1顶端内壁和内罐2上部外壁之间固定有密封环板103，保证了外罐1和内罐2之间的密封性，内罐2顶端设置有密封罐盖201，密封罐盖201与内罐2之间通过圆周均匀设置在密封罐盖201四周的多个密封卡扣202相密封，内罐2内壁上部设置有喷洒结构，内罐2上设置有连通控制结构，外罐1底端设置有支撑结构，密封罐盖201上固定有把手，方便握取对密封罐盖201进行开合，外罐1正面设置有控制面板102，喷洒结构包括固定在内罐2内壁上部的环管301，环管301底端圆周均匀设置有多个喷头302，环管301一侧连通有横向进液管3，进液管3与内罐2相固定，连通控制结构包括设置在密封罐盖201上一侧的通氢管203，内罐2底端向外连通有与外罐1相固定的排料管204，支撑结构包括圆周均匀固定在外罐1底端的多个支撑腿101，支撑腿101底端固定有支撑块，排料管204、通氢管203、喷头302和进液管3上均设置有电动开关阀，控制面板102与电动开关阀相电性连接。

需要注意的是，通过制氢发酵罐的设置，制备氢气时，打开密封罐盖201，铺洒一层发酵原料粉末，再控制喷头302喷出一层发酵液，依次将发酵原料粉末和发酵液多次投入进制氢发酵罐中即可，投放完成后封闭所述制氢发酵罐，进行发酵工作，其中加热竖管4能够控制制氢发酵罐内的温度，密封卡扣202使得所述制氢发酵罐的密封性更好，保证了发酵过程的进行。

本发明提供了一种新型技术：垃圾厌氧发酵制氢的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S1：有机质分离；具体是指：在垃圾中提炼出含有有机质的发酵原料，发酵原料的有机质含量大于等于60%，所述发酵原料的含水率小于等于40%；

步骤S2：发酵原料加工；具体是指：对分离出的含有有机质的发酵原料进行干燥，干燥完毕后使用破碎设备将其制成粉末，发酵原料干燥后水分含量小于等于10%，所述发酵原料破碎后的粉末颗粒直径在5-10mm之间；

步骤S3：发酵液制备；具体是指：在营养液中依次加入不同质量比的发酵细菌群；其中，所述发酵细菌群包括丁酸梭菌、嗜热乳酸菌、巴士梭菌、类腐败梭菌和阴沟肠杆菌，营养液的成分包括（60-70%）水、（15-20%）葡萄糖、（15-20%）硝酸钠，所述发酵细菌群内部的细菌的菌落比为丁酸梭菌：嗜热乳酸菌：巴士梭菌：类腐败梭菌：阴沟肠杆菌=1：（1-2）：（2-3）：（1-2）：（1-2），每升营养液中添加质量为200-250g的发酵细菌群；

步骤S4：发酵制氢；具体是指：将发酵原料粉末和发酵液分层的依次交错的投入到制氢发酵罐中，随后封闭制氢发酵罐，进行3-7天的密封发酵，每千克的发酵原料粉末使用800-1000毫升的发酵液，每层发酵原料粉末的厚度为2-3cm，制氢发酵罐内部的pH值控制在5-8之间，所述制氢发酵罐内部的温度控制在35-55℃之间；

步骤S5：氢气收集；具体是指：将制氢发酵罐中所产生的氢气通过洗气罐中进行洗气；

步骤S6：氢气存储；具体是指：将洗气完毕的氢气通过空气压缩机压缩到储气罐中，完成氢气的制备。

需要注意的是，通过将发酵原料粉末和发酵液分层交错的投入进制氢发酵罐中进行发酵，使得发酵原料粉末能够发酵的更加完全，从而厌氧发酵制氢速率提升，提高了对垃圾的处理速率，其中，在发酵过程中，巴士梭菌菌落比最高，因为巴士梭菌的固氮作用最强，从而能够更好的在所述发酵过程中起到重要作用。

根据上述方法，在确定营养液成分比例，发酵细菌群内部的细菌的菌落比，pH值大小的情况下，分别控制温度在35℃、40℃、45℃、50℃、55℃和常温情况下对氢气的平均产出速率进行测量，氢气的平均产出速率的计算方式为氢气产出的总量除以发酵时间，并进行六组五罐试验，即在同一温度下对实施例在五个制氢发酵罐中进行试验。

实施例一：所述方法中使得营养液的成分包括70%水、20%葡萄糖、10%硝酸钠，发酵细菌群内部的细菌的菌落比为丁酸梭菌：嗜热乳酸菌：巴士梭菌：类腐败梭菌：阴沟肠杆菌=1：1：2：1：1，每升营养液中添加质量为250g的发酵细菌群，进行4天的密封发酵，每千克的发酵原料粉末使用1000毫升的发酵液，每层发酵原料粉末的厚度为3cm，其中制氢发酵罐内部的pH值控制在6，制氢发酵罐内部的温度控制在35℃。

实施例二：所述方法中使得营养液的成分包括70%水、20%葡萄糖、10%硝酸钠，发酵细菌群内部的细菌的菌落比为丁酸梭菌：嗜热乳酸菌：巴士梭菌：类腐败梭菌：阴沟肠杆菌=1：1：2：1：1，每升营养液中添加质量为250g的发酵细菌群，进行4天的密封发酵，每千克的发酵原料粉末使用1000毫升的发酵液，每层发酵原料粉末的厚度为3cm，其中制氢发酵罐内部的pH值控制在6，制氢发酵罐内部的温度控制在40℃。

实施例三：所述方法中使得营养液的成分包括70%水、20%葡萄糖、10%硝酸钠，发酵细菌群内部的细菌的菌落比为丁酸梭菌：嗜热乳酸菌：巴士梭菌：类腐败梭菌：阴沟肠杆菌=1：1：2：1：1，每升营养液中添加质量为250g的发酵细菌群，进行4天的密封发酵，每千克的发酵原料粉末使用1000毫升的发酵液，每层发酵原料粉末的厚度为3cm，其中制氢发酵罐内部的pH值控制在6，制氢发酵罐内部的温度控制为45℃。

实施例四：所述方法中使得营养液的成分包括70%水、20%葡萄糖、10%硝酸钠，发酵细菌群内部的细菌的菌落比为丁酸梭菌：嗜热乳酸菌：巴士梭菌：类腐败梭菌：阴沟肠杆菌=1：1：2：1：1，每升营养液中添加质量为250g的发酵细菌群，进行4天的密封发酵，每千克的发酵原料粉末使用1000毫升的发酵液，每层发酵原料粉末的厚度为3cm，其中制氢发酵罐内部的pH值控制为6，制氢发酵罐内部的温度控制为50℃。

实施例五：所述方法中使得营养液的成分包括70%水、20%葡萄糖、10%硝酸钠，发酵细菌群内部的细菌的菌落比为丁酸梭菌：嗜热乳酸菌：巴士梭菌：类腐败梭菌：阴沟肠杆菌=1：1：2：1：1，每升营养液中添加质量为250g的发酵细菌群，进行4天的密封发酵，每千克的发酵原料粉末使用1000毫升的发酵液，每层发酵原料粉末的厚度为3cm，其中制氢发酵罐内部的pH值控制为6，制氢发酵罐内部的温度控制为55℃。

对比例：所述方法中使得营养液的成分包括70%水、20%葡萄糖、10%硝酸钠，发酵细菌群内部的细菌的菌落比为丁酸梭菌：嗜热乳酸菌：巴士梭菌：类腐败梭菌：阴沟肠杆菌=1：1：2：1：1，每升营养液中添加质量为250g的发酵细菌群，进行4天的密封发酵，每千克的发酵原料粉末使用1000毫升的发酵液，每层发酵原料粉末的厚度为3cm，其中制氢发酵罐内部的pH值控制为6，制氢发酵罐内部的温度不进行控制，保持在常温状态下。

根据上述的实施例一至实施例五以及对比例得到氢气的平均产出速率数据统计在表1：

表1

通过以上表1中的实施例一至实施例五的对比可以看出，在不同温度的情况下，产氢速率会随着温度的升高先上升后下降，在40-45℃范围内有一定的峰值，产氢速率快，发酵效果好，且不对温度进行控制保持在常温状态下时，产氢速率为最低，由此得出温度控制对发酵细菌群的影响较大，呈近似正态分布曲线。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附实施例及其等同物限定。