光发酵厌氧流化床产氢反应器

摘要

光发酵厌氧流化床产氢反应器，本发明涉及一种厌氧流化床产氢反应器。本发明为了解决现有的光发酵制氢反应器存在的生物量易流失和光能利用率低的问题。本发明的回流管的一端由反应器主体的上盖上插入至反应器主体内部，回流管的另一端与进水管连通，回流管与进水管的连接点在进水泵与反应器主体之间，回流泵安装在回流管上，活性碳纤维吸附载体填充在反应器主体的内部，沉淀区单管的一端安装在反应器主体的中部侧壁上，沉淀区单管的另一端与上清液流出管连通，沉淀区单管倾斜设置，沉淀区单管与反应器主体的连接端低于沉淀区单管与上清液流出管的连接端，出水泵安装在上清液流出管上。本发明用于光发酵厌氧流化床产氢中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种厌氧流化床产氢反应器，具体涉及一种光发酵厌氧流化床产氢反应 器，属于发酵制氢技术领域。

背景技术

能源是人类社会发展的重要基础资源。随着世界经济的发展、世界人口的剧增和人民 生活水平的不断提高，世界能源需求量持续增大，由此导致对能源资源的争夺日趋激烈、 环境污染加重和环保压力加大，迫使世界各国政府和科学家致力于寻找可替代化石能源， 即对环境无污染或低污染的新型可再生的清洁能源。生物制氢技术作为一种低成本、低能 耗的绿色能源生产技术，可以结合有机废水处理和清洁能源生产而备受关注。生物制氢技 术反应条件温和、能耗低、能妥善解决能源与环境的矛盾。其中光发酵产氢可以在常温常 压下进行，且理论产氢率高；产氢速度要比微藻快，能量利用率比暗发酵细菌高、转化效 率高；对太阳光谱的吸收范围宽。光发酵细菌产氢可将废水处理、能源回收和太阳能利用 等有机地结合起来，不仅降解了有机污染物，治理了环境污染而且使废弃物资源化、能源 化，被认为是最有希望的绿色氢能来源之一，具有广阔的应用前景，倍受国内外研究者的 关注。

光发酵制氢反应器的主要作用是为光发酵细菌提供生长所需的光照、温度和酸碱度等 环境，国内外研究人员经过多年研究根据光发酵细菌对生长条件的要求设计出了不同结构 形式的光发酵制氢反应器，使得产氢效率得到了很大提高。但目前使用的光发酵制氢反应 器仍存在生物量容易流失、光能利用率低的问题，尚无法满足工业化生产的需要。故开发 高效的厌氧光发酵制氢反应器成为了推动光发酵制氢技术发展的关键。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的光发酵制氢反应器存在的生物量易流失和光能利用 率低的问题，进而提供一种光发酵厌氧流化床产氢反应器。

本发明的技术方案是：光发酵厌氧流化床产氢反应器包括进水罐、进水泵、反应器主 体、气体流量计、进水管、气体流出管和两组光照系统，反应器主体的左右两侧各布置有 一组光照系统，反应器主体的底端通过进水管与进水罐连通，进水管上安装有进水泵，反 应器主体的上盖上安装有气体流出管，气体流量计安装在气体流出管上；

光发酵厌氧流化床产氢反应器还包括活性碳纤维吸附载体、回流泵、沉淀区单管、出 水泵、回流管和上清液流出管，所述回流管的一端由反应器主体的上盖上插入至反应器主 体内部，回流管的另一端与进水管连通，回流管与进水管的连接点在进水泵与反应器主 体之间，所述回流泵安装在回流管上，所述活性碳纤维吸附载体填充在反应器主体的内部， 沉淀区单管的一端安装在反应器主体的中部侧壁上，沉淀区单管的另一端与上清液流出管 连通，沉淀区单管倾斜设置，沉淀区单管与反应器主体的连接端低于沉淀区单管与上清液 流出管的连接端，出水泵安装在上清液流出管上。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：1、本发明将活性炭纤维(ACF)载体用 于光发酵细菌固定化产氢，提高了光发酵厌氧流化床产氢反应器的生物持有量，避免了菌 种流失，高浓度的生物量实现高效的产氢性能。2、本发明将活性碳纤维载体在反应器主 体中处于流化状态，使得吸附在活性碳纤载体颗粒上的每个光发酵细菌都能够接受到光照 进而产氢，最大限度的降低了载体颗粒之间的遮光效应，提高了光能利用率。3、本发明 的比产氢率达到2.26molH₂/mol乙酸，最高产氢速率达到25.8mlH₂/L/h。

附图说明

图1是本发明的光发酵厌氧流化床产氢反应器的整体结构主视图，图2是本发明以乙 酸钠为底物通过本发明的光发酵厌氧流化床产氢反应器的产氢效能曲线图(图中表 示比产氢率，表示产氢速率)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的光发酵厌氧流化床产氢反 应器包括进水罐1、进水泵2、反应器主体3、气体流量计7、进水管10、气体流出管12 和两组光照系统6，反应器主体3的左右两侧各布置有一组光照系统6，反应器主体3的 底端通过进水管10与进水罐1连通，进水管10上安装有进水泵2，反应器主体3的上盖 上安装有气体流出管12，气体流量计7安装在气体流出管12上；

光发酵厌氧流化床产氢反应器还包括活性碳纤维吸附载体4、回流泵5、沉淀区单管 8、出水泵9、回流管11和上清液流出管13，所述回流管11的一端由反应器主体3的上 盖上插入至反应器主体3内部，回流管11的另一端与进水管10连通，回流管11与进水 管10的连接点在进水泵2与反应器主体3之间，所述回流泵5安装在回流管11上，所述 活性碳纤维吸附载体4填充在反应器主体3的内部，沉淀区单管8的一端安装在反应器主 体3的中部侧壁上，沉淀区单管8的另一端与上清液流出管13连通，沉淀区单管8倾斜 设置，沉淀区单管8与反应器主体3的连接端低于沉淀区单管8与上清液流出管13的连 接端，出水泵9安装在上清液流出管13上。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的活性碳纤维吸附载体4 的碳纤维比表面积为1500m²/g，微孔半径为总孔容积705±15×10^-3ml/g，短切 丝长度为0.1mm。如此设置，光发酵细菌被吸附在碳纤维的外表面上，使得光发酵细菌 能够更有效的接受光照，当光线传播到活性碳纤维表面时，光能被吸附在载体外表面的光 发酵细菌充分吸收利用，因此，更有效的提高了光能利用率。其它组成和连接关系与具体 实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的回流泵5采用流速为 150ml/min的回流泵。如此设置，使载体为悬浮流化状态，具有良好的传质条件，微生物 易与废水充分接触，而且使得吸附在载体表面的每一个光发酵细菌都能够接收到光照并产 氢，有效的提高了光发酵产氢反应器的光能利用效率。其它组成和连接关系与具体实施方 式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的光照系统6采用白炽灯光 照系统，平均光强调控为4000lx。如此设置，能够有效的为光发酵产氢过程提供充足的 光能。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的沉淀区单管8的轴线8-1 与水平线之间形成的锐角α为70度。如此设置，沉淀区单管8不受反应器主体3流态的 影响，处于静沉状态，活性碳纤维吸附载体颗粒在重力作用下能够有效的沉降，并返回反 应器主体3中，出水水质好。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

实施例：结合图1和图2说明本实施例，本实施例以乙酸钠为培养基进行产氢，光发 酵厌氧流化床产氢反应器包括进水罐1、进水泵2、反应器主体3、气体流量计7、进水管 10、气体流出管12和两组光照系统6，反应器主体3的左右两侧各布置有一组光照系统6， 反应器主体3的底端通过进水管10与进水罐1连通，进水管10上安装有进水泵2，反应 器主体3的上盖上安装有气体流出管12，气体流量计7安装在气体流出管12上；光发酵 厌氧流化床产氢反应器还包括活性碳纤维吸附载体4、回流泵5、沉淀区单管8、出水泵9、 回流管11和上清液流出管13，所述回流管11的一端由反应器主体3的上盖上插入至反 应器主体3内部，回流管11的另一端与进水管10连通，回流管11与进水管10的连接 点在进水泵2与反应器主体3之间，所述回流泵5安装在回流管11上，所述活性碳纤维 吸附载体4填充在反应器主体3的内部，沉淀区单管8的一端安装在反应器主体3的中部 侧壁上，沉淀区单管8的另一端与上清液流出管13连通，沉淀区单管8倾斜设置，沉淀 区单管8与反应器主体3的连接端低于沉淀区单管8与上清液流出管13的连接端，出水 泵9安装在上清液流出管13上，活性碳纤维吸附载体4的碳纤维比表面积为1500m²/g， 微孔半径为总孔容积705±15×10^-3ml/g，短切丝长度为0.1mm，回流泵5采用 流速为150ml/min的回流泵，光照系统6采用白炽灯光照系统，平均光强调控为4000lx， 沉淀区单管8的轴线8-1与水平线之间形成的锐角α为70度。进水罐1内的乙酸钠培养 基由进水泵2连续泵入反应器主体3内，反应器主体3内的活性碳纤维载体4在回流泵5 的作用下处于流化状态，活性碳纤维载体4的表面吸附了大量的光发酵细菌，在光照系统 6的提供光能的条件下，降解有机质，产生氢气，氢气经气体流出管12排除反应器，反 应后，反应液在沉淀区单管8内沉淀，活性碳纤维吸附载体4在重力作用下返回反应器， 上清液经出水泵9排除反应器。本实施例的最高比产氢率为2.26molH₂/mol乙酸，最高产 氢速率为25.8mlH₂/L/h。