隨著社會的不斷進(jìn)步與發(fā)展,能源匱乏和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重,因此,清潔能源的開發(fā)與應(yīng)用是大勢所趨。氫能是理想的清潔能源之一,已廣泛引起人們的重視。氫氣燃燒后只有水,并且具有可再生、燃燒熱值高、容易運輸?shù)奶匦�。通過厭氧發(fā)酵生物制氫,以有機廢水作為底物進(jìn)行產(chǎn)氫,在處理廢水的同時生產(chǎn)清潔能源。 本文以復(fù)合式厭氧折流板反應(yīng)器(HABR)作為生物制氫反應(yīng)器,以人工配制的赤砂糖廢水為底物,采用混合培養(yǎng)的好氧污泥作為接種污泥,探討了HABR新型生物制氫反應(yīng)器的啟動、運行以及乙醇型發(fā)酵形成途徑。研究結(jié)果表明,以“混合培養(yǎng)和生物膜”一體化的HABR作為新型乙醇型發(fā)酵生物制氫系統(tǒng)是可行的。HABR系統(tǒng)在溫度35℃、水力停留時間(HRT)為12h,初始OLR為2.5kg/m3·d,分階段提高進(jìn)水OLR(至4.5kg/m3·d)的方式下,在20d內(nèi)經(jīng)過馴化可使5個格室均形成乙醇型發(fā)酵類型,穩(wěn)定運行15d,啟動成功。但是檢測到每個格室的產(chǎn)氫能力差異明顯,因為進(jìn)入每個格室的廢水狀態(tài)不同,相當(dāng)于每個格室在不同條件下(OLR、pH值等)啟動,因此各格室雖然都形成了乙醇型發(fā)酵體系,所以表現(xiàn)出不同的產(chǎn)氫能力。隨后提高OLR(6.5kg/m3·d、8.5kg/m3·d)進(jìn)行HABR的產(chǎn)氫運行,結(jié)果表明OLR為6.5kg/m3·d左右時效果最佳,去除率達(dá)到43.34%,平均產(chǎn)氫量達(dá)到14.91L/d,平均產(chǎn)能量為3340.62KJ/d。在不同OLR條件下系統(tǒng)產(chǎn)生氫氣與乙醇速率的線性關(guān)系可表示為y(氫)=0.31x(乙醇)-0.1335(R2=0.9235)。當(dāng)OLR為8.5kg/m3·d左右時,過高的OLR和過低的pH值成為反應(yīng)器的限制因素,在后續(xù)研究中可考慮添加適應(yīng)的鹽類來中和過多的有機酸,使系統(tǒng)可持續(xù)運行。 HABR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)沒有設(shè)置攪拌裝置,其格室內(nèi)部底物廢水與微生物的混合完全依靠上升水流的沖擊與污泥的沉降,因此,水力停留時間(HRT)對HABR制氫系統(tǒng)運行效果的影響十分重要。實驗設(shè)計了HRT為36、24、16、12、8h的5個HRT時間,各運行30d,結(jié)果表明：隨著HRT由36h降低到12h,產(chǎn)氫速率隨著升高,當(dāng)HRT進(jìn)一步縮短至8h時,產(chǎn)氫量迅速下降,乙醇型發(fā)酵穩(wěn)定性降低,因此此次實驗中HRT為12h時運行效果最佳,該HRT條件下穩(wěn)定運行階段平均產(chǎn)氫速率達(dá)到13.86mmol/h·L,5個格室的pH值在4.22-4.47之間,能源生產(chǎn)平均量達(dá)到11.11kJ/h·L。主要液相產(chǎn)物為乙醇和乙酸,第一至第五格室的兩者的比值分別為1.90、1.94、1.80、1.77、1.91,比值越大乙醇相對乙酸的產(chǎn)量越高,表示乙醇型發(fā)酵程度越高。不同HRT條件下產(chǎn)生氫氣與乙醇速率的線性關(guān)系可表示為y(氫)=1.2883x(乙醇)+7.1739(R2=0.8566)。 此外,連續(xù)流攪拌槽式反應(yīng)器(CSTR)是目前生物制氫研究中應(yīng)用最多的反應(yīng)器,因此,本文對比研究HABR與CSTR兩種類型反應(yīng)器制氫系統(tǒng)的運行效果。首先在啟動方面,CSTR反應(yīng)器所用時間較短,可在30d內(nèi)達(dá)到啟動成功并穩(wěn)定運行,而HABR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜容積大,完全啟動成功達(dá)到穩(wěn)定運行需要43d。因此,反應(yīng)器的類型不是制約發(fā)酸類型形成的決定性因素,但是能夠影響發(fā)酵類型的形成過程。啟動成功后,研究了不同COD (4000、6000、8000mg/L)條件下兩種類型反應(yīng)器的運行效果,結(jié)果表明HABR反應(yīng)器的產(chǎn)氫效能、產(chǎn)能效能以及COD去除率隨COD的提高而上升,在COD為8000mg/L時分別達(dá)到了17.54mmol/h-L、45.13kJ/h·L、42.87%。CSTR系統(tǒng)受有機負(fù)荷限制明顯,在COD為6000mg/L時效果最佳,產(chǎn)氫效能、產(chǎn)能效能、生物量以及COD去除率平均分別為13.26mmol/h·L、33.00kJ/h·L、26.47%。在低有機負(fù)荷條件下,CSTR產(chǎn)氫系統(tǒng)的含氫量較高,而HABR產(chǎn)氫系統(tǒng)在高有機負(fù)荷的條件下更具優(yōu)勢。
【學(xué)位單位】：東北林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2014
【中圖分類】：S216
【部分圖文】：

2.1.2污泥馴化曝氣預(yù)處理裝置污泥馴化曝氣預(yù)處理裝置如圖2-2所示，裝置材質(zhì)為有機玻璃，主體為直徑為20 cm高為90 cm的圓柱體，底部為圓椎形，將曝氣的探頭伸入裝置圓椎形底部，有利于污泥曝氣充分，減少爆氣死區(qū)。同時有加熱溫控裝置調(diào)節(jié)反應(yīng)器溫度保持在35±rc。-18-

Cn (當(dāng)n=0時）為進(jìn)水濃度，mg/L。從圖3-3中可以看出，啟動前幾天，COD去除率非常低，有兩方面的原因：一方面是由于不能夠適應(yīng)厭氧環(huán)境的一些微生物死亡，殘體留在液相產(chǎn)物中，增加了出水COD，導(dǎo)致出水COD濃度高；另一方面是由于一些兼性厭氧和能夠產(chǎn)生芽孢的絕對厭氧微生物處在恢復(fù)期，不能夠有效進(jìn)行生長代謝活動消耗COD所致。運行5、6d后，各格室COD去除率趨于穩(wěn)定，可以發(fā)現(xiàn)整個HABR反應(yīng)器的總體去除率在啟動第一階段呈現(xiàn)出曲折上升的狀態(tài)

Fig.3-4 The variation of liquid fermentation products of each compartment of HABR由圖3-4可知，各格室在啟動期（l~34d)都表現(xiàn)出波動式升高的趨勢，啟動過程采用有機負(fù)荷分階段提高的方式，在第15 d時，將OLR由2.5 kgW-d提高到4.5 kgW-do在反應(yīng)的啟動初期(l~14d)，第一格室乙醇和乙酸產(chǎn)量緩慢提高，乙醇和乙酸所占的比例卻有下降的趨勢，說明該格室所產(chǎn)生的液相末端產(chǎn)物中其他成分產(chǎn)量較多，有不利于乙醇型發(fā)酵形成的趨勢，而在提高有機負(fù)荷之后(15?34 d)
【參考文獻(xiàn)】

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1 任南琪,李永峰,鄭國香,林海龍,張蕊;生物制氫:Ⅰ.理論研究進(jìn)展[J];地球科學(xué)進(jìn)展;2004年S1期

2 李永峰,任南琪,丁杰,林海龍,鄭國香,崔有貴;生物制氫:Ⅱ.工程應(yīng)用問題[J];地球科學(xué)進(jìn)展;2004年S1期

3 張磊;郎建峰;牛姍姍;;生物膜法在污水處理中的研究進(jìn)展[J];水科學(xué)與工程技術(shù);2010年05期

4 任南琪,陳小蕾,趙丹;Control of fermentation types in continuous-flow acidogenic reactors:effects of pH and redox potential[J];Journal of Harbin Institute of Technology;2001年02期

5 劉曉燁;莊蓓嵐;宋倩雯;楊睿;韓偉;李永峰;;厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫污泥的馴化技術(shù)[J];化工進(jìn)展;2009年S1期

6 趙丹,王承武,沈濯良,王惠民;厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)的水動力學(xué)及污泥特性[J];環(huán)境工程;2001年02期

7 李秋波;邢德峰;任南琪;趙麗華;宋業(yè)穎;;C/N比對嗜酸細(xì)菌X-29產(chǎn)氫能力及其酶活性的影響[J];環(huán)境科學(xué);2006年04期

8 鮑立新;李建政;昌盛;黃曉飛;任南琪;;ABR處理大豆蛋白廢水的效能及微生物群落動態(tài)分析[J];環(huán)境科學(xué);2008年08期

9 李玉友;褚春鳳;堆洋平;;厭氧發(fā)酵生物制氫微生物及工藝開發(fā)的研究進(jìn)展[J];環(huán)境科學(xué)學(xué)報;2009年08期

10 李建政;蔣凡;鄭國臣;;ABR發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)的控制運行及產(chǎn)氫效能[J];環(huán)境科學(xué)學(xué)報;2010年01期

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2 岳莉然;以赤糖為基質(zhì)的生物制氫生態(tài)系統(tǒng)與工藝[D];東北林業(yè)大學(xué);2011年

3 鄭國臣;CSTR和ABR處理有機廢水產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷特征與效能[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

本文編號：2879465