生物制氢技术具有原料丰富、生产过程清洁、节能、不需要消耗矿物资源等特点,既实现了废弃物资源化利用,降低了环境污染,又提供了清洁的氢能源,缓解了能源危机,因此具有广阔的发展前景。目前,生物制氢技术发展迅速,限制其发展的一个重要因素是能量转换率低,成本较高,无法满足低成本制氢的要求,研究开发具有连续生产能力的高效生物制氢反应器不仅能够降低制氢成本,提高转化效率,也是实现工业化生产的基础条件,是生物制氢技术研究从实验室向工业生产转化的关键环节。本论文是在国家高技术研究发展计划(863计划)项目“生物制氢关键技术研究与示范”(项目编号:2012AA051502)的资助下完成的。针对当前制氢成本高和暗发酵抑制光合产氢的问题,在新型生物质暗-光联合制氢工艺研究的基础上,根据系统工程运行的实际要求,通过生物质暗-光联合生物制氢反应器的设计,太阳能光电光热转换单元的设计,光合细菌连续培养系统的设计等,建立了一套基于太阳能的连续、高效的生物质暗-光联合生物制氢实验装置,该装置能显著降低发酵过程对传统化石能源的消耗率,消除暗发酵液对光发酵的抑制作用,提高生物制氢效率,降低制氢成本,为实现生物制氢技术由理论研究向实际应用的转化及生物制氢技术的工业化应用提供了技术参考。研究成果如下:(1)依据设计原则和技术途径,确定联合制氢反应器ABR型结构的基本参数,按照前文既定的设计规模和工艺参数,计算设计联合制氢反应器的基本结构尺寸。暗发酵制氢单元的总体积为3.366 m~3,有效体积为3.023 m~3,光发酵制氢单元的总体积为10.56 m~3,有效体积为7.8113 m~3,暗-光联合制氢反应器的总体积达到15 m~3。(2)综合中国太阳能资源的分布现状和光合制氢对光照的要求,确定以太阳光为主光源、LED为辅助光源的基本设计;对太阳光自动跟踪聚光与光纤传输系统进行优化设计,设计安装24个太阳能聚光器,共输出96束光,采光面积为2.78m~2,能够满足系统发酵过程的光照需求;设计选用黄色LED作为辅助光源,共布置LED布光管道117个,系统每天的需电量为2053W·h左右,太阳能电池板的电池容量579.9Wp,设计采用8块电池板组合而成,选取6块电压为12V、容量为200A·h的蓄电池并联使用。(3)分析联合制氢系统对温度的基本需求,对系统的能量平衡关系进行分析计算,系统每天的需热量为964.32 10 kJ/d;根据系统需热量,设计选用660根左右1800′58的太阳能真空管,总集热面积为100.32 m~2;设计选用容积为2000L的蓄热水箱,选取电压220V,功率5kw的单相型号为DFS-H5型的辅助电加热系统。(4)根据光合生物制氢系统连续运行的菌种要求以及光合产氢菌种HAU-M1的生长特性,设计了一套光合细菌菌种培养装置,研究了该套装置对菌种的连续培养和菌种稳定供应的影响因素,优化了该装置的初始接种量、水力停留时间等工艺参数,并进行连续性培养及运行实验。研究表明,在初始接种量为15%,水力停留时间为48h,温度为30℃,光照强度为2080Lux,pH值为6.8的条件下,菌种培养装置出口培养液浓度可以稳定在10%~20%,出口流量维持在28.96L/h左右,能够满足光合生物制氢系统对菌种稳定供应的实际需要,表明光合细菌菌种培养装置应用于光合生物制氢系统连续性运行的技术可行性。(5)生物质暗-光联合生物制氢系统在前期试运行调整后,经过180天的生产性运行,整体运行稳定,原料利用率、料液温度、料液pH值、产氢量、氢气浓度等工艺参数和运行指标均较为平稳,平均日产氢量42.76 m~3,平均氢气浓度为61.78%,平均原料利用率为62.7%,平均产气率为5.5m~3/(m~3·d),具有较好的运行稳定性和较高的产氢效率。