【摘要】：木質(zhì)纖維素類、有機(jī)固體廢棄物、有機(jī)廢水等廢棄有機(jī)物中蘊(yùn)含著巨大的能量,隨著有機(jī)廢棄物不合理處理帶來的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題的加劇,綠色、清潔的生物技術(shù)為解決上述難題提供了契機(jī)。氫氣和電能是清潔能源,而且能夠通過有機(jī)物的微生物發(fā)酵產(chǎn)生,過程反應(yīng)條件溫和。本研究以氫氣及電能為目標(biāo)產(chǎn)物,利用生物質(zhì)為底物,通過微生物轉(zhuǎn)化的方法開展研究,主要研究內(nèi)容為:(1)玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫和可溶性有機(jī)物過程研究:以厭氧常溫菌株Clostridium cellulolyticum DSM 5812為出發(fā)菌株,調(diào)控其厭氧發(fā)酵過程中關(guān)鍵發(fā)酵條件pH,以玉米秸稈為底物,厭氧發(fā)酵獲得大量氫氣及有機(jī)酸產(chǎn)物。當(dāng)玉米秸稈濃度分別為10 g/L、20 g/L、30 g/L時,氫氣最終產(chǎn)量分別為571 mL/L、901 mL/L、1163 mL/L。C.cellulolyticum降解玉米秸稈主要有機(jī)產(chǎn)物為乙酸、乳酸、少量乙醇和木質(zhì)素降解產(chǎn)生的4-羥基-3-甲基苯乙酮等芳香化合物;發(fā)酵前期主要有機(jī)產(chǎn)物為乙酸,當(dāng)乙酸產(chǎn)量達(dá)到1.6 g/L后,乳酸開始積累,乳酸濃度最終達(dá)到1.6 g/L左右,乙醇在第10天之后積累速度增加,但最終產(chǎn)量低于0.4 g/L。(2)產(chǎn)電菌希瓦氏菌(Shewanella.putrefaciens)催化秸稈厭氧發(fā)酵有機(jī)物產(chǎn)電和氫氣研究;以S.putrefaciens發(fā)酵為產(chǎn)電菌株,利用厭氧處理玉米秸稈產(chǎn)生的含有大量有機(jī)物的發(fā)酵液為底物,構(gòu)建微生物燃料電池與微生物電解池。S.putrefaciens能夠利用發(fā)酵液生長,氣相色譜質(zhì)譜(Gas chromatography and mass spectrometry,GC/MS)分析發(fā)現(xiàn)該菌能夠利用乙酸、乳酸、乙醇等有機(jī)物,還能夠利用多種木素厭氧消化產(chǎn)生的芳香化合物,其中2,3二羥甲基呋喃、4-羥基-3-甲基苯乙酮、2,6-二甲氧基苯酚、2,4-雙(1,1-二甲乙基、4-甲基-2,5-二甲氧基苯甲醛降解率分別為100%、74.9%、65.8%、85%、70.5%;以S.putrefaciens為產(chǎn)電微生物,利用滅活C.cellulolyticum后的玉米秸稈發(fā)酵液為底物構(gòu)建了微生物燃料電池,分別以玉米秸稈濃度分別為10 g/L、20 g/L、30 g/L發(fā)酵液為底物時,最大功率密度分別為16.9 mW/m2、15.7 mW/m2、15.1 mW/m2;在微生物燃料電池構(gòu)建的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了微生物電解池,在外接0.7V電壓Pt電極催化下情況下,每克VFAs可產(chǎn)氫氣11.5-12.9 mL。(3)產(chǎn)電復(fù)合微生物厭氧處理有機(jī)污泥過程及微生物群落分析:以厭氧活性污泥為接種液,構(gòu)建了性能良好的微生物燃料電池(microbial fuel cell,MFC),輸出功率達(dá)到1247 mW/m2,內(nèi)阻為143Ω,庫倫效率為9.9%,MFC運(yùn)行后陽極室COD去除率達(dá)到64%。厭氧活性污泥有大量CH4及極少量H2產(chǎn)生,未有電子輸出;而通過MFC處理,只有電子輸出但未有CH4和H2產(chǎn)生,實(shí)現(xiàn)了以電能為唯一產(chǎn)物的厭氧污泥MFC處理方式,從而避免沼氣發(fā)酵過程中分離、儲存、運(yùn)輸難等問題。利用高通量測序?qū)FC運(yùn)行前后細(xì)菌及古菌菌群變化分析發(fā)現(xiàn),古菌菌群相對穩(wěn)定,而細(xì)菌菌群變化顯著。與原始厭氧污泥相比MFC菌群多樣性指數(shù)有所降低,但優(yōu)勢菌群更加明顯,與MFC產(chǎn)電能力直接相關(guān)的克雷伯氏菌屬(Klebsiella)富集并成為優(yōu)勢菌屬,相對豐度達(dá)到16.73%,此外氫噬胞菌屬(Hydrogenophaga)也大量富集,該菌可能是新型產(chǎn)電微生物。綜上所述,本研究提出了一種以厭氧微生物處理為核心,利用廢棄生物質(zhì)生產(chǎn)氫氣和電能的清潔新工藝,為生物質(zhì)的清潔生物轉(zhuǎn)化提供了新思路和和理論支持。
【圖文】：

電池己應(yīng)用于纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程，，但其小分子有機(jī)物含量而相對較低，預(yù)處逡逑理過程中是必不可少的［２７］。微生物燃料電池（ＭＦＣ）可將復(fù)雜的生物質(zhì)化學(xué)能直逡逑接轉(zhuǎn)化為電能，并且實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢水的處理［３Ｑ］。其反應(yīng)原理見圖１．２，在陽極室有逡逑６逡逑

邐邋－々逡逑圖１．邋１邐Ｃ．邐木質(zhì)纖維素代謝圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ邋ｍｅｔａｂｏｌｉｃ邋ｐａｔｈｗａｙ邋ｂｙ邋Ｃ．邋ｃｅｌｌｕｌｏｌｙｔｉｃｕｍ逡逑但是無論哪種暗發(fā)酵途徑都存在各種小分子酸類和醇類的產(chǎn)生，這也限制了逡逑氫氣的產(chǎn)生［２ａ２１２２］，故底物的有效利用對提高生物質(zhì)的降解率有非常大的作用。逡逑１．４生物質(zhì)產(chǎn)電逡逑傳統(tǒng)生物質(zhì)產(chǎn)電模式是利用生物質(zhì)發(fā)電，包括直接燃燒發(fā)電、與煤炭混燃逡逑發(fā)電以及氣化生物質(zhì)燃燒產(chǎn)電。燃燒發(fā)電生物質(zhì)能量利用率較低，一般在逡逑２０％－３０％。利用微生物的方法將生物質(zhì)降解可獲得一系列的能量。生物質(zhì)燃燒產(chǎn)逡逑電也由生物降解生物質(zhì)產(chǎn)能的氫和甲烷燃燒獲得，此外微生物可直接利用生物質(zhì)逡逑產(chǎn)生電能。逡逑１．４．１微生物利用生物質(zhì)產(chǎn)電現(xiàn)狀逡逑微生物利用生物質(zhì)產(chǎn)電常需要構(gòu)建微生物燃料電池（ＭＦＣ），ＭＦＣ可在低逡逑溫條件下將廢物轉(zhuǎn)化為能源，從含碳底物生產(chǎn)清潔電力能源［２６，２７］。ＭＦＣ陽極一逡逑般保持厭氧狀態(tài)
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院過程工程研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ116.2;TQ920.6

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2678512