智能绿色能源:逢甲大学开发的高效生物沼气生产技术

氢烷气定义为氢(H 2)和甲烷(CH 4)的混合的气体,自1980年代以来一直是有吸引力的车辆替代燃料。实际上,大多数的氢烷气生产过程都是在甲烷气中添加氢气,但其缺点是通常使用来自石化尾气分解出来的氢气。因此,自2000年代以来,许多研究都集中在一种更具持续性生产技术,该技术称为两阶段厌氧生物氢烷气生产技术(HyMeTek)。其中在两个厌氧酦酵槽中分别产生生物氢和生物甲烷,然后混合在一起以获得生物氢烷气。在绝大多数实验条件下,两阶段的总能源回收率显著提高(8-43%),且从未低于传统单槽产沼气技术回收的能源。这些初步结果将推动进一步的研究,以更好地优化条件技术推动两阶段厌氧产生物氢烷气达到更高效率。两阶段的生物氢烷气试点工厂也用于协助受气候变化影响的印度尼西亚难民,为当地农民和难民提供持续洁净能源,并解决农业废物造成的污染。逢甲大学生物氢研究小组以生物废物为原料,在台湾南投县新合兴牧场建立了世界上第一座两阶段厌氧生物氢烷气发电厂,解决了食品供应和废物处理的难题。

暗发酵是借有机废弃物生产生物质能的最具效率的技术。两阶段的厌氧生产生物氢烷气技术迄今已经发展了几十年,为了有效地将生物质废物和废水转化为生物质能,必须先调整进料条件(例如pH值、温度和碳/氮比)进行预处理,再导入二阶段发酵生产。对于木质纤维素料源,破坏强韧的木质素、料源大小与结构以及改变生质物料源的化学组成则很重要。预处理过程可分为生物、物理、化学和物理化学方法,也已有相当多的研究组合搭配上述这些方法了。此外,去除出流液中剩余的化学需氧量(COD),可以采用分离单元(例如活性污泥法),以达到排放标准。逢甲大学生物氢气研究小组已成功开发出含有颗粒状厌氧混合菌群的高速率生物氢气生产技术(图1)。细菌越多,氢气产生成效越好,但是微生物就像微粒一样,很容易从反应器中洗出,因此,以固定化的颗粒使微生物保留在生物反应器中是生产生物氢的最重要技术。然而,如果将细菌包裹在颗粒中,细菌将如何生存?固定化的混合菌颗粒就像房子,细菌可以在其中生活并繁殖,他们并不会死。又微生物已形成孢子,并在干燥过程中与活性炭混合,再加入海藻酸钠,制成颗粒状。有了足够的营养,微生物可以迅速繁殖,并将形成更多的微生物颗粒,颗粒越大、越多,氢气的产量越高。逢甲大学生物氢研究小组的生物氢生产速度是每小时每升反应器体积15升,该值是迄今世界上生物氢生产中最高的。

智能绿色能源:逢甲大学开发的高效生物氢烷气生产技术
图1:颗粒状厌氧混合菌群的高效生物氢气生产技术

先进的生物产氢反应器包括连续搅拌的厌氧生物反应器(CSABR),载体诱导的颗粒污泥床(CIGSB)和搅拌颗粒污泥床反应器(AGSBR),它们能在特别短的水力停留时间(0.5-1.5 h)下运行并获得高生物质浓度。由于较高的生物质浓度在颗粒菌群和进料基质之间具有较多面积的接触,因此这些生物反应器可以达到很高的产氢速率(HPR)。逢甲大学生物氢研究小组对合成废水和原废水进行了一些先导工厂的潜力测试研究,建立了新颖的二阶段产氢烷气及其操作技术,并将其命名为「创新的氢烷化技术(HyMeTek)」。为了使HyMeTek技术商业化,研究小组在台湾南投县新合兴牧场建立了一个包括产氢槽(60 m 3)和甲烷槽(600 m 3)的HyMeTek商转验证规模(图2)。

图2:南投县新合兴牧场HyMeTek商业验证场
图2:南投县新合兴牧场HyMeTek商业验证场

图3显示在印尼美娜多市导入共生生物质能源(HyMeTek)概念的自主持续社区模型。Symnergy (symbiosys bioenergy)模型是生物废物管理的整合模型,不仅可以改善社区环境,也能带来经济、教育和创造就业机会等多种好处。Symergy模型的产出是沼气、生物电和生物肥料,该模型以生物质能、生物经济和农业产品的循环达成社区的自主持续。逢甲大学将HyMeTek导入美娜多市白浪村作为示范点,以验证「自主持续社区共生模式」。白浪村毗邻屠宰场,是生物沼气的来源,缺乏电力供应。许多洪灾受害者居住在该地区,低收入导致他们接受较低的教育、缺乏工作机会,从而导致经济水平低。如果HyMeTek示范验证计划成功,将很容易在其他村庄开发这样的系统。结果发现,HyMeTek示范验证设施建立后,社区居民对先进氢烷气技术对于社区的社会和环境影响有了良好的认知和接受度。它可以创造2.5个工作,每年提供280位参访游客。屠宰场牛棚中,25-30头牛每天得产生10-30 kg的生物废弃物和2 m 3的废水,用以作为示范先导工厂中沼气生产的基础。透过每天收集1.3m3的沼气来代替液化石油气,每年可节省约90.78美元。村民每年亦可通过生物电生产获得约130.08美元的额外收入。此外,使用示范试验工厂生产的生物肥料种植辣椒,社区可以出售辣椒赚取每年约400-500美元。最后,将HyMeTek导入在社区中成功验证了自给自足的Symnergy模型对环境和社区带来正面的影响。[逢甲大学]

图3:显示在印尼美娜多市导入共生生物质能概念的自主持续社区模型
图3:显示在印尼美娜多市导入共生生物质能概念的自主持续社区模型

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