專利名稱：：一種從二氧化碳生產生物燃氣的方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及生物燃氣的生產方法，特別是涉及一種利用二氧化碳資源來生產生物燃氣的方法。
背景技術：
：工業(yè)革命以來，人們過度地采掘和利用化石燃料，造成了溫室氣體二氧化碳的過度排放，引起全球氣候變暖，二氧化碳的過度排放就是一個受人關注的問題?；剂鲜褂盟欧诺亩趸嫉葴厥覛怏w，直接導致地球系統(tǒng)的碳循環(huán)發(fā)生變化，從而引起了大氣溫室氣體濃度的上升。全球大氣二氧化碳濃度己從工業(yè)化前的約280ppm，增加到了2005年的379ppm。地球長期演化中所保持的大氣溫室氣體濃度，可使全球地表的平均溫度保持在15度左右。但近百年的情況是，大氣中二氧化碳、甲烷等溫室氣體的濃度不斷上升，越來越有可能引發(fā)全球氣候變化，給地球生態(tài)環(huán)境與人類社會帶來嚴重影響。世界氣象組織和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署聯(lián)合組建了政府間氣候變化專門委員會(IPCC)，最近公布的評估報告顯示，全球氣候正在經歷著一場以變暖為特征的變化。19062005年的一百年間，全球地表平均溫度上升了0.74度；近50年的線性增暖趨勢則進一步攀升到每十年增加0.13度。20世紀后半葉，北半球平均溫度是近1300年中最高的。全球自1850年以來所出現(xiàn)的最暖的12個年份，有11個發(fā)生在1995至2006年的短短十幾年內。2006年是有儀器記錄以來僅次于1998年的最暖年份。隨著全球氣候的變暖，降水也發(fā)生了變化。在非洲以及地中海的一些地方，已出現(xiàn)了降水明顯減少的趨勢，這些地區(qū)的糧食產量也隨之下降。統(tǒng)計結果還表明，隨著氣候的變暖，引發(fā)洪澇災害的極端強降水事件和大范圍的長期干旱事件的發(fā)生頻率，正在全球范圍內增大。在氣候變化的過程中，占地球表面70%以上的海洋面臨巨大壓力。研究表明，海洋已經并且正在吸收80%以上因氣候變暖而增添到氣候系統(tǒng)中的熱量。由此，全球海洋平均溫度的增加巳延伸到至少3000米的深度。由于海水的受熱膨脹以及冰川和積雪在氣候變暖下的融化，海平面也有了明顯上升。上個世紀末，一些國家的政府、國際組織、跨國企業(yè)以及相關民間組織，已在不斷采取積極行動，試圖減緩氣候變化的勢頭。但由于大氣溫室氣體的留存期較長，即使人類全面停止向大氣排放溫室氣體，大氣溫室氣體濃度要下降到工業(yè)革命前的水平，至少還需要數(shù)百年的時間。更何況人類社會現(xiàn)在仍然以煤炭、石油、天然氣等化石燃料為主要能源，向大氣排放溫室氣體還會持續(xù)下去。從這個意義上說，大氣溫室氣體的高濃度，已成為地球氣候系統(tǒng)在未來一段時間的一個毋庸置疑的特點。IPCC的氣候變化預估表明，21世紀全球平均地表增暖的幅度范圍可能為U6.4度。同時，高溫熱浪、洪澇、干旱等極端氣候事件將更為頻繁、范圍將更廣、持續(xù)時間將更長，海平面也可能進一步上升。在全球氣候變化的大背景下，我國年平均地表氣溫增加明顯。近100年來，我們地表升溫幅度約為0.50.8度，比同期全球平均值略高。在最近的50年里，我國年平均地表氣溫增加1.1度，增溫速率為每10年0.22度，明顯高于全球同期的平均增溫速率。近50年，我國北方干旱受災面積擴大，南方洪澇加重。農業(yè)生產的不穩(wěn)定性增加，局部干旱高溫危害加重，黃河斷流現(xiàn)象呈現(xiàn)加重勢態(tài)。未來的氣候變化，可能對我國的生態(tài)環(huán)境、農牧業(yè)生產、水資源供應、沿海岸帶經濟社會等方面的發(fā)展帶來更為嚴重的沖擊。加上不斷擴散的工業(yè)污染等因素，極端天氣氣候事件的發(fā)生頻率可能增大，由此引發(fā)的生態(tài)危機和資源危機事件所造成的損失可能會更加嚴重。這直接影響了我國的可持續(xù)發(fā)展和構建和諧社會的偉大構想。因此，將二氧化碳進行吸收固定、減少其向大氣的排放成為人們的共識。自然界的綠色植物能夠吸收二氧化碳，將其轉化為生物質，但它吸收二氧化碳的速度還是太慢了！因此，需要利用具有葉綠體的生物對二氧化碳進行人工干預，使工業(yè)廢氣中的二氧化碳快速地被固定。藻類特別是那些微型單胞藻不論是原核的或是真核的，它們是吸收C02進行光合作用生產綠色新能源最有效途徑。大量微型藻增殖過程中充分利用C02，在光照條件下合成有機物將太陽能儲存起來，其藻體生物量稱得上是個巨大的"儲能庫"，因此，將其制作固體燃料或者說干燥燃料是可行的，英國將它用于發(fā)電；因此有專家預計，利用C02制造生物能源特別是氫能將是本世紀大有希望而較為理想的能源供應。能通過光合作用來吸收二氧化碳而放出氧氣。美國的Greenfud等、以色列等國均進行了微藻吸收二氧化碳的研究與實踐。他們有思路是用藻類來吸收二氧化碳，然后再用藻類進行榨油或發(fā)酵生產燃料乙醇。這一工藝的缺點是藻類對二氧化碳的吸收率低，在榨油或生產燃料乙醇之后產生了大量的固體廢料，污染了環(huán)境。同時，可有通過藻類進行甲烷與燃氣的生產方法，但這些工藝是一步法反應。目前一步法的特點是反應速度慢、難以控制、不易于工業(yè)化。為了提高二氧化碳的固定效率，設計綠色環(huán)保的生物燃料的生產工藝，我們特提出了本發(fā)明的兩步法從二氧化碳生產生物燃氣的新方法。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提供一種兩步法工藝來利用光能與二氧化碳生產生物燃氣的新方法。本發(fā)明所提供兩步法生產生物燃氣是利用光能(優(yōu)選太陽能)和藻類(優(yōu)選速生藻)在光反應器中將二氧化碳轉化為生物質，這種生物質以藻的形式存在于培養(yǎng)液中。然后將濃縮或不濃縮的培養(yǎng)液直接通入?yún)捬鯕饣磻?，使生物質氣化，釋放出甲烷和氫氣。甲烷和氫氣壓縮即成為生物燃氣，而培養(yǎng)液則直接循環(huán)回光反應器繼續(xù)進行二氧化碳的固定。本發(fā)明兩步法生產生物燃氣的方法具體為下述所用方法如無特別說明均為常規(guī)方法，所有百分比濃度均為質量百分比濃度，所有培養(yǎng)基中的溶劑均為蒸餾水。首先，自然界藻類的獲得-①在藻類生長的水域取含有藻類的水樣，制取藻類培養(yǎng)基，初始PH值調為弱酸性，優(yōu)選為6.0左右，滅菌，將微藻混合試樣接種至該培養(yǎng)液，光源采用白色熒光燈，光照強度為100010000LUX，光照周期12:12(h)，15。C30。C預培養(yǎng)15周，優(yōu)選25r預培養(yǎng)3周；其中，藻類培養(yǎng)基配方培養(yǎng)基中各組分質量百分含量為硫酸銨0.005%0.04%;過磷酸l丐0.0010.005%;硫酸鎂O.0050.01%;氯化鉀0.0010.004%;碳酸氫鈉O.0050.02%;0.53%三氯化鐵溶液100微升；土壤浸出液0.0020.1%;磷酸氫二鉀0.00050.003%。優(yōu)選藻類培養(yǎng)基配方每升培養(yǎng)基中含有硫酸銨0.2克；過磷酸鈣0.03克；硫酸鎂0.08克；氯化鉀0.025克；碳酸氫鈉O.l克；1%三氯化鐵溶液100微升；土壤浸出液0.5克；磷酸氫二鉀0.01克。②預培養(yǎng)后的微藻試樣進行馴化培養(yǎng)，通入欲處理廢氣，氣體流速大于60mL/min，光源采用白熾燈，光照強度為100010000LUX，光照周期10:14(h)，15'C3(TC馴化培養(yǎng)17天，優(yōu)選25'C馴化培養(yǎng)4天；③取馴化后藻液，接種至新培養(yǎng)液，反復馴化培養(yǎng)多次，通常為3次；④采用平板分離法進行微藻分離，將藻液噴散至固體培養(yǎng)基表面，使藻群在培養(yǎng)基表面生長，光照強度為100010000LUX，光照周期12:12(h)，15。C3(TC培養(yǎng)13周，優(yōu)選25"C培養(yǎng)2周；⑤通過光學顯數(shù)鏡觀察，出現(xiàn)純種群時，用接種環(huán)取出，制成藻液，反復進行分離培養(yǎng)，不斷純化，直至獲得純藻群，保種。6對二氧化碳進行固定時，為了提高二氧化碳的固定效率，可選擇生長速度快的速生藻。這些速生藻可以從相關藻種部門(如美國UTEX)購買，或從藻類生長迅速的水域中分離(尤其是本地水域有針對性的篩選)。1.利用藻類吸收二氧化碳廢氣按以上培養(yǎng)基，在有光照(優(yōu)選太陽能)的環(huán)境中進行敞開式培養(yǎng)，將以二氧化碳為主要成份的工業(yè)廢氣通過氣泵引入池中即可。隨著藻類的生長，二氧化碳氣體被吸收。其中二氧化碳的吸收率達40%90%，其吸收率與光照強度、二氧化碳氣體流量(優(yōu)選310L/min150L反應體系)、藻類密度(優(yōu)選O.lg干重/Llg干重/L)等有關。2、生物燃氣的生產將培養(yǎng)液進入生物燃氣產氣反應裝置，反應裝置的下部是厭氧活性污泥，含有藻類的培養(yǎng)液在反應器內的停留時間是2496小時，所產生的生物燃氣體從反應器的頂部排出后收集起來，所產生的廢水，其中的微量元素及大部分磷源、氮源存在于發(fā)酵液中，返回光反應器再用于藻類的培養(yǎng)，過程大大地減少了培養(yǎng)液的補加量。所述的厭氧反應器在初次反應時最好加入少量的厭氧活性污泥。這些厭氧活性污泥可以從污水處理廠得到，加入的厭氧活性污泥總體積量占反應器容積的5%60%。上述方法同時產生少量的腐植酸和厭氧污泥，腐殖質可以作為生物肥料。本發(fā)明由于選擇了速生藻進行生物質的生產，因此，該過程吸收二氧化碳的能力大大地增強，而生物燃氣產生后分離非常方便。整個過程無"三廢"產生，是一個環(huán)保綠色的工藝過程，基于此優(yōu)點，本發(fā)明將在二氧化碳減排及生物質能源應用方面發(fā)揮巨大作用。圖1為利用二氧化碳資源生產生物燃氣的示意圖；圖2為實施例用于藻類敞開式培養(yǎng)的反應器；其中，1——敞開式反應器池體(長3米，寬2米，兩端為半徑l米的圓弧)；2——中間擋板；3——攪拌裝置；整個池體采用PVC材料制備。圖3實施例生物燃氣的產氣裝置；其中，1——生物燃氣采集口(直徑4cm);2——海藻發(fā)酵殘液溢出口(直徑4cm);3——海藻進料口(直徑4cm);4——頂蓋(直徑30cm);5，6，7——填充材料隔板(直徑25cm)圖1為摘要附圖。具體實施例方式下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。下述實施例中所用方法如無特別說明均為常規(guī)方法，所有百分比濃度均為質量百分比濃度，所有培養(yǎng)基中的溶劑均為蒸餾水。自然界速生藻的獲得①在藻類生長較快的水域取含有藻類的水樣。因為2007年太湖水域污染，藻類泛濫，所以本實施例的樣品取自于太湖水域。制如藻類培養(yǎng)基，初始pH值調為6.0(50mL的錐形瓶里裝30mL培養(yǎng)液，滅菌)，將重約lg的微藻混合試樣接種至該培養(yǎng)液，光源采用白色熒光燈，光照強度2500Lux，光照周期12:12(h)，25"C預培養(yǎng)3周；藻類培養(yǎng)基配方每升培養(yǎng)基中含有硫酸銨0.2克；過磷酸鈣0.03克；硫酸鎂0.08克；氯化鉀0.025克；碳酸氫鈉O.l克；1%三氯化鐵溶液100微升；土壤浸出液0.5克；磷酸氫二鉀0.01克。②預培養(yǎng)后的微藻試樣進行馴化培養(yǎng)，通入欲處理廢氣，氣體流速大于60mL/niin，光源采用白熾燈，光照強度11000Lux，光照周期IO:14(h)，25。C馴化培養(yǎng)4天；③取lmL馴化后藻液，接種至新培養(yǎng)液，反復馴化培養(yǎng)3次；④采用平板分離法進行微藻分離，將lmL藻液噴散至固體培養(yǎng)基表面，使藻群在培養(yǎng)基表面生長，光照強度2500Lux，光照周期12:12(h)，25。C培養(yǎng)2周；⑤通過光學顯數(shù)鏡觀察，出現(xiàn)純種群時，用接種環(huán)取出，制成藻液，反復進行分離培養(yǎng)，不斷純化，直至獲得純藻群，保種。實施例l1.利用藻類吸收二氧化碳廢氣如圖2，按以上的培養(yǎng)基，在有光照的環(huán)境中進行敞開式培養(yǎng)，將以二氧化碳為主要成份的工業(yè)廢氣通過氣泵引入池中即可。隨著藻類的生長，二氧化碳氣體被吸收。其中二氧化碳的吸收率達40。/。90。/。，其吸收率與光照強度(100010000LUX)、二氧化碳的氣體流量(310L/min150L反應體系)、藻類密度(0.lg干重/Llg干重/L)等有關。2.生物燃氣的生產上述混和液進入圖3的反應裝置，圖3的下部是厭氧活性污泥(來自河北省威遠生化集團贊皇生產基地污水處理系統(tǒng)，也可以采用其它污水處理系統(tǒng)中產生的污泥)，含有藻類的培養(yǎng)液在反應器內的停留時間是2496小時，所產生的生物燃氣體從反應器的頂部排出后收集起來，所產生的廢水返回培養(yǎng)池繼續(xù)循環(huán)利用，用于藻的培養(yǎng)。在小型反應器中的產氣情況如表l所示。表l2L反應器中藻類培養(yǎng)液的產氣實驗結果<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>注l.類型太湖藻，濕重20g;培養(yǎng)液100ml;藻水比1:5;污泥25g;加污水:100ml;泥水比1:4;總體積約200ml;2.類型水，自來水100ml;污泥25g;加污水100ml;泥水比1:4。權利要求1、一種從二氧化碳生產生物燃氣的方法，是利用光能和藻類固定二氧化碳，形成生物質，然后再利用厭氧發(fā)酵，將生物質轉化生物燃氣。2、根據(jù)權利要求1所述從二氧化碳生產生物燃氣的方法，所生產的生物燃氣為甲烷和氫氣。3、根據(jù)權利要求1所述從二氧化碳生產生物燃氣的方法，固定二氧化碳的藻類為速生藻。4、根據(jù)權利要求l所述從二氧化碳生產生物燃氣的方法，其中，藻類的獲得方式為①在藻類生長的水域取含有藻類的水樣，制取藻類培養(yǎng)基，初始pH值調為弱酸性，滅菌，將微藻混合試樣接種至培養(yǎng)液，在光照下預培養(yǎng)；②預培養(yǎng)后的微藻試樣進行馴化培養(yǎng)，通入欲處理廢氣，在光照下馴化培養(yǎng)；③取馴化后藻液，接種至新培養(yǎng)液，反復馴化培養(yǎng)；④采用平板分離法進行微藻分離，將藻液噴散至固體培養(yǎng)基表面，使藻群在培養(yǎng)基表面生長，在光照下培養(yǎng)；⑤通過光學顯數(shù)鏡觀察，出現(xiàn)純種群時，用接種環(huán)取出，制成藻液，反復進行分離培養(yǎng)，不斷純化，直至獲得純藻群，保種。5、根據(jù)權利要求4所述從二氧化碳生產生物燃氣的方法，其中，光源采用白色熒光燈，光照強度均為100010000LUX，溫度均為15。C3(TC;①光照周期為12:12(h)，預培養(yǎng)15周；②氣體流速大于60mL/min，光照周期IO:14(h)，馴化培養(yǎng)17天；光照周期12:12(h)，培養(yǎng)13周。6、根據(jù)權利要求5所述從二氧化碳生產生物燃氣的方法，其中，①溫度為25t:預培養(yǎng)3周；②25。C馴化培養(yǎng)4天；④25"C培養(yǎng)2周。7、根據(jù)權利要求4所述從二氧化碳生產生物燃氣的方法，其中，藻類培養(yǎng)基配方培養(yǎng)基中各組分質量百分含量為硫酸銨0.005%0.04%;過磷酸鈣0.0010.005%;硫酸鎂0.0050.01%;氯化鉀0.0010.004%;碳酸氫鈉0.0050.02%;0.53%三氯化鐵溶液100微升；土壤浸出液0.0020.1%;磷酸氫二鉀0.00050.003%。8、根據(jù)權利要求17所述任意一種從二氧化碳生產生物燃氣的方法，其中，由生物質轉化為生物燃氣使用厭氧活性污泥來實現(xiàn)，厭氧反應器在初次反應時加入少量的厭氧活性污泥。9、根據(jù)權利要求8所述從二氧化碳生產生物燃氣的方法，其中，厭氧活性污泥的加入總量占厭氧反應器容積的5%60%。10、根據(jù)權利要求8所述從二氧化碳生產生物燃氣的方法，反應后的溶液返回光反應器繼續(xù)作為藻類的培養(yǎng)基。全文摘要本發(fā)明公開了一種利用二氧化碳與光能來生產生物燃氣的方法。該方法是利用光能和藻類，將二氧化碳轉化為生物質，然后再將含有生物質的培養(yǎng)液(濃縮或不濃縮)直接進行厭氧發(fā)酵，從而產生以氫氣和甲烷為代表的生物燃氣。其中的微量元素及大部分磷源、氮源存在于發(fā)酵液中，被返回光反應器再用于藻類的培養(yǎng)。該工藝除產生生物燃氣之外，還產生了少量的腐殖質，可以作為生物肥料。由于選擇了速生藻進行生物質的生產，因此，該過程吸收二氧化碳的能力大大地增強，而生物燃氣產生后分離非常方便。整個過程無“三廢”產生，是一個環(huán)保綠色的工藝過程，基于此優(yōu)點，本發(fā)明將在二氧化碳減排及生物質能源應用方面發(fā)揮巨大作用。文檔編號C10L3/00GK101457166SQ20071017937公開日2009年6月17日申請日期2007年12月12日優(yōu)先權日2007年12月12日發(fā)明者劉敏勝,瑋李,緱仲軒,賈成國申請人:新奧科技發(fā)展有限公司