【摘要】：利用有機(jī)廢水發(fā)酵制氫可以在處理廢水的同時(shí)產(chǎn)生清潔能源。目前,制氫過(guò)程中存在較多的抑制因素,導(dǎo)致發(fā)酵過(guò)程中氫氣產(chǎn)率和氫氣濃度不夠理想,有機(jī)廢水發(fā)酵制氫的工業(yè)推廣和商業(yè)化應(yīng)用仍存在較大障礙。氫分壓是發(fā)酵制氫過(guò)程中的關(guān)鍵影響因素,較高的氫分壓會(huì)對(duì)發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)產(chǎn)生抑制,在工程應(yīng)用和生產(chǎn)過(guò)程中氫分壓過(guò)度積累會(huì)對(duì)發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)造成較大負(fù)面影響。針對(duì)以上問(wèn)題,本課題以乙醇型和丁酸型發(fā)酵制氫系統(tǒng)為研究對(duì)象,探究氫分壓變化對(duì)不同發(fā)酵類型產(chǎn)氫過(guò)程的影響,對(duì)相關(guān)的影響因素進(jìn)行探討,并采用高通量測(cè)序分析技術(shù)對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析,研究氫分壓變化對(duì)不同發(fā)酵類型產(chǎn)氫微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。采用CSTR反應(yīng)器進(jìn)行連續(xù)流發(fā)酵產(chǎn)氫,分別控制反應(yīng)器啟動(dòng)和運(yùn)行條件,形成乙醇型、丁酸型發(fā)酵制氫系統(tǒng),選取穩(wěn)定運(yùn)行CSTR反應(yīng)器內(nèi)的污泥,進(jìn)行氫分壓對(duì)不同發(fā)酵類型產(chǎn)氫過(guò)程影響的間歇實(shí)驗(yàn)。采用搖瓶實(shí)驗(yàn)對(duì)乙醇型和丁酸型發(fā)酵產(chǎn)氫體系進(jìn)行研究,探討負(fù)壓抽吸補(bǔ)入N2、負(fù)壓抽吸補(bǔ)入CO_2、負(fù)壓抽吸三種條件下氫分壓、CO_2和負(fù)壓分別對(duì)兩種發(fā)酵產(chǎn)氫體系的影響;采用修正的Gompertz模型對(duì)降低不同氫分壓條件下的發(fā)酵制氫體系累計(jì)產(chǎn)氫量進(jìn)行函數(shù)擬合,研究氫分壓降低對(duì)乙醇型發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程強(qiáng)化的根本原因;設(shè)置不同的降壓梯度,研究抽吸頻率對(duì)產(chǎn)氫強(qiáng)化作用的影響;對(duì)液相末端產(chǎn)物進(jìn)行分析,研究氫分壓降低對(duì)于VFAs的影響。論文取得的主要研究成果如下:對(duì)乙醇型發(fā)酵實(shí)驗(yàn)研究表明,氫分壓降低30%時(shí)獲得最大累積氫氣產(chǎn)量3.63L/L,降低氫分壓使產(chǎn)氫反應(yīng)正向移動(dòng);每2h降低一次氫分壓,每次降低10%為最佳抽吸頻率,獲得最大產(chǎn)氫量3.62 L/L;采用改進(jìn)的Gompertz模型對(duì)不同氫分壓的產(chǎn)氫體系累積產(chǎn)氣量進(jìn)行擬合,氫分壓降低30%時(shí),體系Pmax和R max分別為3.85 L/L和0.127L/(L·h);負(fù)壓對(duì)乙醇型產(chǎn)氫有強(qiáng)化作用,頂部空間氣體壓強(qiáng)為0.4bar時(shí),發(fā)酵產(chǎn)氫體系產(chǎn)氫量最多,達(dá)到3.21 L/L;向體系中充入40m L CO_2的時(shí)候降低到最小值,由對(duì)照組的2.63L/L降低到1.28L/L,CO_2主要影響發(fā)酵制氫體系中同型產(chǎn)乙酸作用、菌群競(jìng)爭(zhēng)及降低體系p H值。對(duì)丁酸型發(fā)酵實(shí)驗(yàn)研究表明,降低氫分壓和負(fù)壓對(duì)丁酸型發(fā)酵產(chǎn)氫的影響較小,補(bǔ)入CO_2能對(duì)丁酸型發(fā)酵產(chǎn)生明顯強(qiáng)化作用。向體系內(nèi)充入40 m L的CO_2時(shí),產(chǎn)氫量達(dá)到最大值2.56 L/L,比對(duì)照組提高39%。采用改進(jìn)的Gompertz模型對(duì)補(bǔ)入不同CO_2的產(chǎn)氫體系累積產(chǎn)氣量進(jìn)行擬合,充入40m L CO_2時(shí),體系Pmax和R max分別為2.70 L/L和0.081L/(L·h);高濃度的CO_2分壓對(duì)丁酸型產(chǎn)氫細(xì)菌影響較小,但能抑制氫營(yíng)養(yǎng)型的產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)乳酸菌,在促進(jìn)氫氣生成的同時(shí)減少HCB對(duì)氫氣的消耗,從而提高了體系產(chǎn)氫效能。進(jìn)一步對(duì)不同發(fā)酵類型產(chǎn)氫過(guò)程微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)乙醇型發(fā)酵頂級(jí)群落為乙醇桿菌(Ethanoligenens)和Acetanaerobacterium,降低氫分壓產(chǎn)乙醇桿菌豐度上升,而Acetanaerobacterium的豐度隨氫分壓降低而減小,產(chǎn)氫效能的提高主要是基于Ethanoligenens豐度的提高;丁酸型發(fā)酵頂級(jí)群落為Clostridium,結(jié)合產(chǎn)氫體系內(nèi)生物量分析,結(jié)果表明產(chǎn)氫效率提高與群落豐度的增加相關(guān)。
【圖文】：

圖 1-2 葡萄糖的 酸發(fā)酵[30]（1）磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)和 EMP 途徑；（2）丙酮酸鐵氧還蛋白氧化還原酶；（3）氫化酶；（乙酰 CoA-乙�；D(zhuǎn)移酶（硫解酶）；（5）L(+)-β-羥 酰 CoA；（6）巴豆酸酶；（7） 酰脫氫酶；（8）CoA 轉(zhuǎn)移酶；（9）磷酸乙酰轉(zhuǎn)移酶；（10）乙酸激酶（3）丙酸型發(fā)酵丙酸型發(fā)酵 丙酸型發(fā)酵主要發(fā)酵末端產(chǎn)物為丙酸和乙酸，產(chǎn)生氣體很丙酸型發(fā)酵主要在丙酸桿菌屬(Propionibacterium)作用下進(jìn)行，由于丙酸桿菌般不含氫化酶，因此不會(huì)產(chǎn)生 H2。氧發(fā)酵制氫技術(shù)的核心是厭氧產(chǎn)氫微生物。厭氧產(chǎn)氫微生物中，專性厭要包括梭狀芽孢桿菌屬（Clostridium）、甲基營(yíng)養(yǎng)菌（Methylotrophs）、產(chǎn)甲（Methanogenic bacteria）、瘤胃細(xì)菌（Rumen bacteria）以及 些古細(xì)菌（Arch等，這類細(xì)菌不含細(xì)胞色素體系，通過(guò)產(chǎn)生丙酮酸或丙酮酸的代謝途徑來(lái)產(chǎn)兼性厭氧菌，包括大腸桿菌（Escherichiacoli）和腸道細(xì)菌（Enterobacter）等類細(xì)菌含有細(xì)胞色素體系，通過(guò)自身分解甲酸的代謝途徑產(chǎn)氫[29]。目前，大發(fā)酵產(chǎn)氫研究以 Clostridium 和 Enterobacter 為主要研究菌群[30]，這些菌群主謝產(chǎn)物為乙酸和 酸。不同菌群利用同種底物產(chǎn)氫效能也有差異，嚴(yán)格厭氧

-15-樣口；2 排泥口；3 進(jìn)水口；4 氣相取樣口/出氣口；5a 反應(yīng)區(qū)；b 回流縫；c 沉淀區(qū)；d 集氣室；e 集水圖 2-1 CSTR 裝置示意圖機(jī)玻璃材質(zhì)，反應(yīng)器容積為 30 L，，而其中反應(yīng)區(qū)—液—固的三相分離裝置，有效分離污泥、有機(jī)區(qū)為 體化結(jié)構(gòu)。反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)有攪拌槳，攪拌并且提升混合液至導(dǎo)流區(qū)，污泥由回流縫沉入反釋放發(fā)酵氣體氣泡后并下沉，然后沉降回到反應(yīng)流出。發(fā)酵氣體在集氣室收集并由出氣口導(dǎo)出，置和采樣口，計(jì)量氣體產(chǎn)量并采樣測(cè)量氣體成分，先對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行清洗和清水試驗(yàn)，然后向反應(yīng)然后用高純氮?dú)獯得?15 min 排除反應(yīng)器內(nèi)氧氣蠕動(dòng)泵將進(jìn)水泵入。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：X703

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 吳夢(mèng)佳;隋紅;張瑞玲;;生物發(fā)酵制氫技術(shù)的最新研究進(jìn)展[J];現(xiàn)代化工;2014年05期

2 何潔;;紅糖及其產(chǎn)品開(kāi)發(fā)[J];輕工科技;2013年11期

3 李永峰;陳紅;岳莉然;曹逸坤;任南琪;;不同金屬離子對(duì)產(chǎn)氫發(fā)酵細(xì)菌Biohydrogenbacterium R3 sp.nov.發(fā)酵產(chǎn)氫能力的影響[J];太陽(yáng)能學(xué)報(bào);2013年07期

4 李永峰;王藝璇;程國(guó)玲;劉春妍;;二價(jià)鐵離子對(duì)UASB反應(yīng)器厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效能的影響[J];環(huán)境科學(xué);2013年06期

5 鄭國(guó)臣;李建政;昌盛;張照韓;官滌;金羽;郭靜波;盧海鳳;;ABR發(fā)酵系統(tǒng)運(yùn)行特性及產(chǎn)氫效能研究[J];中國(guó)環(huán)境科學(xué);2013年01期

6 張全國(guó);張相鋒;王毅;杜金宇;荊艷艷;;光合產(chǎn)氫混合菌群的碳源代謝實(shí)驗(yàn)研究[J];太陽(yáng)能學(xué)報(bào);2012年02期

7 何品晶;李磊;郝麗萍;呂凡;邵立明;;氣體分離循環(huán)對(duì)高溫厭氧消化過(guò)程的影響[J];中國(guó)環(huán)境科學(xué);2011年02期

8 劉士清;劉偉偉;馬歡;曹成茂;伍德林;朱德泉;王繼先;;不同金屬離子對(duì)生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)氫的影響[J];農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào);2010年10期

9 任南琪;郭婉茜;劉冰峰;;生物制氫技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用前景[J];哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2010年06期

10 趙丹;余瑞彰;李秀艷;牛冬杰;趙由才;;厭氧暗發(fā)酵產(chǎn)氫細(xì)菌研究進(jìn)展[J];環(huán)境污染與防治;2009年01期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 高鈴鈴;水體修復(fù)植物木質(zhì)纖維素的預(yù)處理及其厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫研究[D];浙江大學(xué);2014年

本文編號(hào)：2615120