CN101457166A

CN101457166A - 一种从二氧化碳生产生物燃气的方法

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Publication number: CN101457166A
Application number: CNA2007101793744A
Authority: CN
Inventors: 缑仲轩; 刘敏胜; 李玮; 贾成国
Original assignee: ENN Science and Technology Development Co Ltd
Current assignee: ENN Science and Technology Development Co Ltd
Priority date: 2007-12-12
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2027-12-12
Also published as: CN101457166B

Abstract

本发明公开了一种利用二氧化碳与光能来生产生物燃气的方法。该方法是利用光能和藻类，将二氧化碳转化为生物质，然后再将含有生物质的培养液(浓缩或不浓缩)直接进行厌氧发酵，从而产生以氢气和甲烷为代表的生物燃气。其中的微量元素及大部分磷源、氮源存在于发酵液中，被返回光反应器再用于藻类的培养。该工艺除产生生物燃气之外，还产生了少量的腐殖质，可以作为生物肥料。由于选择了速生藻进行生物质的生产，因此，该过程吸收二氧化碳的能力大大地增强，而生物燃气产生后分离非常方便。整个过程无“三废”产生，是一个环保绿色的工艺过程，基于此优点，本发明将在二氧化碳减排及生物质能源应用方面发挥巨大作用。

Description

一种从二氧化碳生产生物燃气的方法

技术领域

本发明涉及生物燃气的生产方法，特别是涉及一种利用二氧化碳资源来生产生物燃气的方法。

背景技术

工业革命以来，人们过度地采掘和利用化石燃料，造成了温室气体二氧化碳的过度排放，引起全球气候变暖，二氧化碳的过度排放就是一个受人关注的问题。化石燃料使用所排放的二氧化碳等温室气体，直接导致地球系统的碳循环发生变化，从而引起了大气温室气体浓度的上升。全球大气二氧化碳浓度已从工业化前的约280ppm，增加到了2005年的379ppm。地球长期演化中所保持的大气温室气体浓度，可使全球地表的平均温度保持在15度左右。但近百年的情况是，大气中二氧化碳、甲烷等温室气体的浓度不断上升，越来越有可能引发全球气候变化，给地球生态环境与人类社会带来严重影响。

世界气象组织和联合国环境规划署联合组建了政府间气候变化专门委员会(IPCC)，最近公布的评估报告显示，全球气候正在经历着一场以变暖为特征的变化。1906～2005年的一百年间，全球地表平均温度上升了0.74度；近50年的线性增暖趋势则进一步攀升到每十年增加0.13度。20世纪后半叶，北半球平均温度是近1300年中最高的。全球自1850年以来所出现的最暖的12个年份，有11个发生在1995至2006年的短短十几年内。2006年是有仪器记录以来仅次于1998年的最暖年份。

随着全球气候的变暖，降水也发生了变化。在非洲以及地中海的一些地方，已出现了降水明显减少的趋势，这些地区的粮食产量也随之下降。统计结果还表明，随着气候的变暖，引发洪涝灾害的极端强降水事件和大范围的长期干旱事件的发生频率，正在全球范围内增大。

在气候变化的过程中，占地球表面70％以上的海洋面临巨大压力。研究表明，海洋已经并且正在吸收80％以上因气候变暖而增添到气候系统中的热量。由此，全球海洋平均温度的增加已延伸到至少3000米的深度。由于海水的受热膨胀以及冰川和积雪在气候变暖下的融化，海平面也有了明显上升。

上个世纪末，一些国家的政府、国际组织、跨国企业以及相关民间组织，已在不断采取积极行动，试图减缓气候变化的势头。但由于大气温室气体的留存期较长，即使人类全面停止向大气排放温室气体，大气温室气体浓度要下降到工业革命前的水平，至少还需要数百年的时间。更何况人类社会现在仍然以煤炭、石油、天然气等化石燃料为主要能源，向大气排放温室气体还会持续下去。从这个意义上说，大气温室气体的高浓度，已成为地球气候系统在未来一段时间的一个毋庸置疑的特点。IPCC的气候变化预估表明，21世纪全球平均地表增暖的幅度范围可能为1.1～6.4度。同时，高温热浪、洪涝、干旱等极端气候事件将更为频繁、范围将更广、持续时间将更长，海平面也可能进一步上升。

在全球气候变化的大背景下，我国年平均地表气温增加明显。近100年来，我们地表升温幅度约为0.5～0.8度，比同期全球平均值略高。在最近的50年里，我国年平均地表气温增加1.1度，增温速率为每10年0.22度，明显高于全球同期的平均增温速率。近50年，我国北方干旱受灾面积扩大，南方洪涝加重。农业生产的不稳定性增加，局部干旱高温危害加重，黄河断流现象呈现加重势态。未来的气候变化，可能对我国的生态环境、农牧业生产、水资源供应、沿海岸带经济社会等方面的发展带来更为严重的冲击。加上不断扩散的工业污染等因素，极端天气气候事件的发生频率可能增大，由此引发的生态危机和资源危机事件所造成的损失可能会更加严重。这直接影响了我国的可持续发展和构建和谐社会的伟大构想。

因此，将二氧化碳进行吸收固定、减少其向大气的排放成为人们的共识。自然界的绿色植物能够吸收二氧化碳，将其转化为生物质，但它吸收二氧化碳的速度还是太慢了！因此，需要利用具有叶绿体的生物对二氧化碳进行人工干预，使工业废气中的二氧化碳快速地被固定。藻类特别是那些微型单胞藻不论是原核的或是真核的，它们是吸收CO₂进行光合作用生产绿色新能源最有效途径。大量微型藻增殖过程中充分利用CO₂，在光照条件下合成有机物将太阳能储存起来，其藻体生物量称得上是个巨大的“储能库”，因此，将其制作固体燃料或者说干燥燃料是可行的，英国将它用于发电；因此有专家预计，利用CO₂制造生物能源特别是氢能将是本世纪大有希望而较为理想的能源供应。能通过光合作用来吸收二氧化碳而放出氧气。美国的Greenfuel等、以色列等国均进行了微藻吸收二氧化碳的研究与实践。他们有思路是用藻类来吸收二氧化碳，然后再用藻类进行榨油或发酵生产燃料乙醇。这一工艺的缺点是藻类对二氧化碳的吸收率低，在榨油或生产燃料乙醇之后产生了大量的固体废料，污染了环境。同时，可有通过藻类进行甲烷与燃气的生产方法，但这些工艺是一步法反应。目前一步法的特点是反应速度慢、难以控制、不易于工业化。为了提高二氧化碳的固定效率，设计绿色环保的生物燃料的生产工艺，我们特提出了本发明的两步法从二氧化碳生产生物燃气的新方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种两步法工艺来利用光能与二氧化碳生产生物燃气的新方法。

本发明所提供两步法生产生物燃气是利用光能(优选太阳能)和藻类(优选速生藻)在光反应器中将二氧化碳转化为生物质，这种生物质以藻的形式存在于培养液中。然后将浓缩或不浓缩的培养液直接通入厌氧气化反应器，使生物质气化，释放出甲烷和氢气。甲烷和氢气压缩即成为生物燃气，而培养液则直接循环回光反应器继续进行二氧化碳的固定。

本发明两步法生产生物燃气的方法具体为：

下述所用方法如无特别说明均为常规方法，所有百分比浓度均为质量百分比浓度，所有培养基中的溶剂均为蒸馏水。

首先，自然界藻类的获得：

①在藻类生长的水域取含有藻类的水样，制取藻类培养基，初始pH值调为弱酸性，优选为6.0左右，灭菌，将微藻混合试样接种至该培养液，光源采用白色荧光灯，光照强度为1000～10000LUX，光照周期12:12(h)，15℃～30℃预培养1～5周，优选25℃预培养3周；

其中，藻类培养基配方：培养基中各组分质量百分含量为硫酸铵0.005％～0.04％；过磷酸钙0.001～0.005％；硫酸镁0.005～0.01％；氯化钾0.001～0.004％；碳酸氢钠0.005～0.02％；0.5～3％三氯化铁溶液100微升；土壤浸出液0.002～0.1％；磷酸氢二钾0.0005～0.003％。

优选藻类培养基配方：每升培养基中含有硫酸铵0.2克；过磷酸钙0.03克；硫酸镁0.08克；氯化钾0.025克；碳酸氢钠0.1克；1％三氯化铁溶液100微升；土壤浸出液0.5克；磷酸氢二钾0.01克。

②预培养后的微藻试样进行驯化培养，通入欲处理废气，气体流速大于60mL/min，光源采用白炽灯，光照强度为1000～10000LUX，光照周期10:14(h)，15℃～30℃驯化培养1～7天，优选25℃驯化培养4天；

③取驯化后藻液，接种至新培养液，反复驯化培养多次，通常为3次；

④采用平板分离法进行微藻分离，将藻液喷散至固体培养基表面，使藻群在培养基表面生长，光照强度为1000～10000LUX，光照周期12:12(h)，15℃～30℃培养1～3周，优选25℃培养2周；

⑤通过光学显数镜观察，出现纯种群时，用接种环取出，制成藻液，反复进行分离培养，不断纯化，直至获得纯藻群，保种。

对二氧化碳进行固定时，为了提高二氧化碳的固定效率，可选择生长速度快的速生藻。这些速生藻可以从相关藻种部门(如：美国UTEX)购买，或从藻类生长迅速的水域中分离(尤其是本地水域有针对性的筛选)。

1.利用藻类吸收二氧化碳废气

按以上培养基，在有光照(优选太阳能)的环境中进行敞开式培养，将以二氧化碳为主要成份的工业废气通过气泵引入池中即可。随着藻类的生长，二氧化碳气体被吸收。其中二氧化碳的吸收率达40％～90％，其吸收率与光照强度、二氧化碳气体流量(优选3～10L/min150L反应体系)、藻类密度(优选0.1g干重/L～1g干重/L)等有关。

2、生物燃气的生产

将培养液进入生物燃气产气反应装置，反应装置的下部是厌氧活性污泥，含有藻类的培养液在反应器内的停留时间是24～96小时，所产生的生物燃气体从反应器的顶部排出后收集起来，所产生的废水，其中的微量元素及大部分磷源、氮源存在于发酵液中，返回光反应器再用于藻类的培养，过程大大地减少了培养液的补加量。

所述的厌氧反应器在初次反应时最好加入少量的厌氧活性污泥。

这些厌氧活性污泥可以从污水处理厂得到，加入的厌氧活性污泥总体积量占反应器容积的5％～60％。

上述方法同时产生少量的腐植酸和厌氧污泥，腐殖质可以作为生物肥料。本发明由于选择了速生藻进行生物质的生产，因此，该过程吸收二氧化碳的能力大大地增强，而生物燃气产生后分离非常方便。整个过程无“三废”产生，是一个环保绿色的工艺过程，基于此优点，本发明将在二氧化碳减排及生物质能源应用方面发挥巨大作用。

附图说明

图1为利用二氧化碳资源生产生物燃气的示意图；

图2为实施例用于藻类敞开式培养的反应器；

其中，1——敞开式反应器池体(长3米，宽2米，两端为半径1米的圆弧)；2——中间挡板；3——搅拌装置；整个池体采用PVC材料制备。

图3实施例生物燃气的产气装置；

其中，1——生物燃气采集口(直径4cm)；2——海藻发酵残液溢出口(直径4cm)；3——海藻进料口(直径4cm)；4——顶盖(直径30cm)；5，6，7——填充材料隔板(直径25cm)

图1为摘要附图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法，所有百分比浓度均为质量百分比浓度，所有培养基中的溶剂均为蒸馏水。

自然界速生藻的获得：

①在藻类生长较快的水域取含有藻类的水样。因为2007年太湖水域污染，藻类泛滥，所以本实施例的样品取自于太湖水域。制如藻类培养基，初始pH值调为6.0(50mL的锥形瓶里装30mL培养液，灭菌)，将重约1g的微藻混合试样接种至该培养液，光源采用白色荧光灯，光照强度2500Lux，光照周期12:12(h)，25℃预培养3周；

藻类培养基配方：每升培养基中含有硫酸铵0.2克；过磷酸钙0.03克；硫酸镁0.08克；氯化钾0.025克；碳酸氢钠0.1克；1％三氯化铁溶液100微升；土壤浸出液0.5克；磷酸氢二钾0.01克。

②预培养后的微藻试样进行驯化培养，通入欲处理废气，气体流速大于60mL/min，光源采用白炽灯，光照强度11000Lux，光照周期10:14(h)，25℃驯化培养4天；

③取1mL驯化后藻液，接种至新培养液，反复驯化培养3次；

④采用平板分离法进行微藻分离，将1mL藻液喷散至固体培养基表面，使藻群在培养基表面生长，光照强度2500Lux，光照周期12:12(h)，25℃培养2周；

实施例1

1.利用藻类吸收二氧化碳废气

如图2，按以上的培养基，在有光照的环境中进行敞开式培养，将以二氧化碳为主要成份的工业废气通过气泵引入池中即可。随着藻类的生长，二氧化碳气体被吸收。其中二氧化碳的吸收率达40％～90％，其吸收率与光照强度(1000～10000LUX)、二氧化碳的气体流量(3～10L/min150L反应体系)、藻类密度(0.1g干重/L～1g干重/L)等有关。

2.生物燃气的生产

上述混和液进入图3的反应装置，图3的下部是厌氧活性污泥(来自河北省威远生化集团赞皇生产基地污水处理系统，也可以采用其它污水处理系统中产生的污泥)，含有藻类的培养液在反应器内的停留时间是24～96小时，所产生的生物燃气体从反应器的顶部排出后收集起来，所产生的废水返回培养池继续循环利用，用于藻的培养。在小型反应器中的产气情况如表1所示。

表1 2L反应器中藻类培养液的产气实验结果

注：1.类型：太湖藻，湿重：20g；培养液：100ml；藻水比：1：5；污泥：25g；加污水：100ml；泥水比：1：4；总体积：约200ml；

2.类型：水，自来水：100ml；污泥：25g；加污水：100ml；泥水比：1：4。

Claims

1、一种从二氧化碳生产生物燃气的方法，是利用光能和藻类固定二氧化碳，形成生物质，然后再利用厌氧发酵，将生物质转化生物燃气。

2、根据权利要求1所述从二氧化碳生产生物燃气的方法，所生产的生物燃气为甲烷和氢气。

3、根据权利要求1所述从二氧化碳生产生物燃气的方法，固定二氧化碳的藻类为速生藻。

4、根据权利要求1所述从二氧化碳生产生物燃气的方法，其中，藻类的获得方式为：

①在藻类生长的水域取含有藻类的水样，制取藻类培养基，初始pH值调为弱酸性，灭菌，将微藻混合试样接种至培养液，在光照下预培养；

②预培养后的微藻试样进行驯化培养，通入欲处理废气，在光照下驯化培养；

③取驯化后藻液，接种至新培养液，反复驯化培养；

④采用平板分离法进行微藻分离，将藻液喷散至固体培养基表面，使藻群在培养基表面生长，在光照下培养；

5、根据权利要求4所述从二氧化碳生产生物燃气的方法，其中，光源采用白色荧光灯，光照强度均为1000～10000LUX，温度均为：15℃～30℃；①光照周期为12:12(h)，预培养1～5周；②气体流速大于60mL/min，光照周期10:14(h)，驯化培养1～7天；④光照周期12:12(h)，培养1～3周。

6、根据权利要求5所述从二氧化碳生产生物燃气的方法，其中，①温度为25℃预培养3周；②25℃驯化培养4天；④25℃培养2周。

7、根据权利要求4所述从二氧化碳生产生物燃气的方法，其中，藻类培养基配方：培养基中各组分质量百分含量为硫酸铵0.005％～0.04％；过磷酸钙0.001～0.005％；硫酸镁0.005～0.01％；氯化钾0.001～0.004％；碳酸氢钠0.005～0.02％；0.5～3％三氯化铁溶液100微升；土壤浸出液0.002～0.1％；磷酸氢二钾0.0005～0.003％。

8、根据权利要求1～7所述任意一种从二氧化碳生产生物燃气的方法，其中，由生物质转化为生物燃气使用厌氧活性污泥来实现，厌氧反应器在初次反应时加入少量的厌氧活性污泥。

9、根据权利要求8所述从二氧化碳生产生物燃气的方法，其中，厌氧活性污泥的加入总量占厌氧反应器容积的5％～60％。

10、根据权利要求8所述从二氧化碳生产生物燃气的方法，反应后的溶液返回光反应器继续作为藻类的培养基。