由于傳統(tǒng)化石能源的過度使用導(dǎo)致一系列的環(huán)境污染問題,因此,人們迫切尋求可以實(shí)現(xiàn)友好環(huán)境的可替代能源。氫能具有清潔、高效、可再生和不產(chǎn)生有害副產(chǎn)物等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。厭氧發(fā)酵生物制氫技術(shù)一方面可以處理有機(jī)廢棄物(廢水)減少對(duì)環(huán)境的危害,另一方面還可以利用有機(jī)廢棄物(廢水)而產(chǎn)生清潔能源(氫氣)而更具發(fā)展前景。懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)和附著生長(zhǎng)系統(tǒng)是目前最為常用的厭氧發(fā)酵生物制氫系統(tǒng),本文在研究了上述兩種制氫系統(tǒng)的建立與運(yùn)行后,提出一種新型的連續(xù)流混合固定化污泥反應(yīng)器(CMISR)發(fā)酵制氫,以期為厭氧發(fā)酵生物制氫技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供基礎(chǔ)的技術(shù)和理論依據(jù)。 本文利用糖蜜廢水作為發(fā)酵底物,以連續(xù)流攪拌槽式反應(yīng)器(CSTR)作為反應(yīng)裝置,采用經(jīng)好氧預(yù)處理污泥作為接種污泥,探討了懸浮生長(zhǎng)制氫系統(tǒng)的建立及運(yùn)行特性。研究表明,當(dāng)反應(yīng)器溫度控制在35℃,水力停留時(shí)間(HRT)為6h時(shí),pH值和ORP分別穩(wěn)定在3.7～4.57和-230～-464mV之間,反應(yīng)器運(yùn)行35d后可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的乙醇型發(fā)酵。此時(shí),液相末端發(fā)酵產(chǎn)物以乙醇和乙酸為主,占液相末端發(fā)酵產(chǎn)物總量的83.55%。發(fā)酵氣體中氫氣含量及產(chǎn)氫量分別為30%～45%和1.53m3/m3d。此外,氫氣和乙醇是具有發(fā)展前景的生物燃料,被認(rèn)為是化石能源的可替代能源。在上述系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定乙醇型發(fā)酵基礎(chǔ)上,探討了不同有機(jī)負(fù)荷(OLR)對(duì)發(fā)酵法生物制氫和生物制乙醇的影響。結(jié)果表明,當(dāng)OLR在8-24kg/m3d范圍內(nèi)變化時(shí),產(chǎn)氫速率和產(chǎn)乙醇速率隨著OLR的提高而增加,并且在OLR為24kg/m3d時(shí)分別得到最佳的產(chǎn)氫速率(12.4mmol/hl)和產(chǎn)乙醇速率(20.27mmol/hl).然而,當(dāng)OLR進(jìn)一步提高到32kg/m3d時(shí),產(chǎn)氫速率和產(chǎn)乙醇速率卻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在液相末端發(fā)酵產(chǎn)物中乙醇含量占31%-59%,為主要的代謝產(chǎn)物。線性回歸方程表明產(chǎn)乙醇速率(y)和產(chǎn)氫速率(x)成正比關(guān)系,方程式為y=0.5431x+1.6816(r2=0.7617)�；跉錃夂鸵掖嫉臒崃恐�,總產(chǎn)能速率被用來衡量整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)能效率,在OLR為24kg/m3d時(shí)發(fā)酵系統(tǒng)得到最大產(chǎn)能速率31.23kJ/hl。 采用連續(xù)流攪拌槽式反應(yīng)器(Continuous flow Stirred-Tank Reactor, CSTR)作為反應(yīng)裝置,以顆�；钚蕴繛樯镙d體,利用糖蜜廢水厭氧發(fā)酵生物制氫。研究表明,在污泥接種量(以VSS計(jì))為17.74g/L,溫度為35℃,水力停留時(shí)間(HRT)為6h,控制有機(jī)負(fù)荷(OLR)在8kgCOD/(m3d)-24kgCOD/(m3d)范圍內(nèi),連續(xù)流附著生長(zhǎng)制氫系統(tǒng)可在22d內(nèi)達(dá)到連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氫。此時(shí),系統(tǒng)pH值為4.28,氧化還原電位(ORP)在-420mV左右,產(chǎn)氣量和產(chǎn)氫量分別為10.6L/d和5.9L/d左右。液相末端發(fā)酵產(chǎn)物中,乙醇和乙酸的含量占揮發(fā)酸總量的89%,為典型的乙醇型發(fā)酵。連續(xù)流附著生長(zhǎng)制氫系統(tǒng)表現(xiàn)出較高的抗負(fù)荷沖擊能力和一定的耐低pH值能力,顆�；钚蕴靠勺鳛楣潭ɑ钚晕勰喟l(fā)酵制氫載體。同時(shí),還考察了有機(jī)負(fù)荷(OLR)對(duì)連續(xù)流附著生長(zhǎng)制氫系統(tǒng)發(fā)酵制取氫氣和乙醇的影響。研究表明,H2和乙醇的產(chǎn)率隨有機(jī)負(fù)荷的增加(8-24kg/m3d)而提高。最高的產(chǎn)氫率(10.74mmol/hl)和乙醇產(chǎn)率(11.72mmol/hl)都是在OLR=24kg/m3d的運(yùn)行條件下得到的。乙醇為主要的液相發(fā)酵產(chǎn)物,其含量占總的液相代謝產(chǎn)物的38.3%-48.9%。線性方程表明了乙醇產(chǎn)率和H2產(chǎn)率呈正相關(guān),可表示為y=1.5365x-5.054(r2=0.9751)(y:乙醇產(chǎn)量；x：氫氣產(chǎn)量)。產(chǎn)能效率以H2和乙醇的熱值來計(jì)算,從而評(píng)估CSTR反應(yīng)系統(tǒng)的整體產(chǎn)能效率。當(dāng)OLR為24kg/m3d時(shí),反應(yīng)系統(tǒng)得到最大的產(chǎn)能效率為19.08kJ/hl。此外,液相代謝產(chǎn)物乙醇和乙酸的產(chǎn)量能夠影響厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)氫效率,當(dāng)乙醇和乙酸的比例接近1得到最大產(chǎn)氫速率,分析認(rèn)為,這是由于NAD+/(NADH+H+的調(diào)整)影響發(fā)酵代謝途徑造成的。 利用活性炭作為載體,糖蜜廢水為發(fā)酵底物,采用新型連續(xù)流混合固定污泥反應(yīng)器(Continuous Mixed Immobilized Sludge Reactor, CMISR)作為反應(yīng)裝置,厭氧發(fā)酵生物制氫。研究表明,當(dāng)CMISR反應(yīng)器控制進(jìn)水COD濃度為2000～6000mg/L,水力停留時(shí)間(HRT)為6h,溫度為35℃,pH值和氧化還原電位(ORP)分別在4.06～4.28和-416～-434mV變化時(shí),CMISR反應(yīng)器在運(yùn)行40d后可形成穩(wěn)定的乙醇型發(fā)酵,此時(shí)的乙醇和乙酸含量占總液相發(fā)酵代謝產(chǎn)物的89.3%。氫氣含量和COD去除率分別為46.6%和13%。此外,考察了有機(jī)負(fù)荷(OLR)變化對(duì)CMISR產(chǎn)氫效能的影響。結(jié)果表明,當(dāng)CMISR反應(yīng)器中OLR為32kg/m3d時(shí),系統(tǒng)可得到最大產(chǎn)氫速率(the maximum hydrogen production rate)12.51mmol/hL; OLR為16kg/m3d時(shí),系統(tǒng)可得到最佳底物轉(zhuǎn)化產(chǎn)氫量(the maximum hydrogen yield by substrate consumed)130.57mmol/mol。由此可以看出,連續(xù)流混合固定化污泥反應(yīng)器(CMISR)作為有發(fā)展前景的固定化系統(tǒng),而用作厭氧發(fā)酵生物制氫。
【學(xué)位單位】：東北林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2012
【中圖分類】：X703
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 概論
    1.2 生物制氫技術(shù)方法
        1.2.1 光合法生物制氫技術(shù)
        1.2.2 發(fā)酵法生物制氫技術(shù)
    1.3 厭氧發(fā)酵生物制氫的產(chǎn)氫機(jī)理
        1.3.1 EMP代謝過程中的丙酮酸脫羧產(chǎn)氫機(jī)制
+的“氧化-還原”平衡調(diào)控產(chǎn)氫機(jī)理'>        1.3.2 NADH/NAD⁺的“氧化-還原”平衡調(diào)控產(chǎn)氫機(jī)理
        1.3.3 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的后續(xù)底物利用和產(chǎn)氫機(jī)理
    1.4 厭氧細(xì)菌的發(fā)酵法生物制氫系統(tǒng)和工藝
        1.4.1 發(fā)酵法生物制氫工藝的優(yōu)勢(shì)
        1.4.2 混合培養(yǎng)發(fā)酵法生物制氫工藝
        1.4.3 純培養(yǎng)發(fā)酵法生物制氫工藝
    1.5 厭氧發(fā)酵生物制氫技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
        1.5.1 產(chǎn)氫效率高菌種的分離和培養(yǎng)
        1.5.2 厭氧發(fā)酵生物制氫的發(fā)酵類型
        1.5.3 生物強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀
        1.5.4 利用不同基質(zhì)進(jìn)行生物產(chǎn)氫的探索
    1.6 厭氧發(fā)酵生物制氫產(chǎn)氫微生物的生長(zhǎng)方式
        1.6.1 厭氧發(fā)酵懸浮生長(zhǎng)制氫系統(tǒng)
        1.6.2 厭氧發(fā)酵附著生長(zhǎng)制氫系統(tǒng)
    1.7 本課題研究目的意義與內(nèi)容
        1.7.1 課題來源
        1.7.2 本課題研究目的和意義
        1.7.3 主要研究?jī)?nèi)容
2 試驗(yàn)材料與方法
    2.1 試驗(yàn)裝置及工藝流程
        2.1.1 連續(xù)流混合培養(yǎng)懸浮生長(zhǎng)和附著生長(zhǎng)試驗(yàn)裝置
        2.1.2 連續(xù)流混合固定化污泥反應(yīng)器（CMISR）
        2.1.3 間歇培養(yǎng)試驗(yàn)裝置
    2.2 試驗(yàn)方法
        2.2.1 懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)和CMISR反應(yīng)器接種污泥預(yù)處理
        2.2.2 附著生長(zhǎng)系統(tǒng)接種污泥預(yù)處理
        2.2.3 試驗(yàn)廢水
        2.2.4 培養(yǎng)基
    2.3 試驗(yàn)分析項(xiàng)目及方法
        2.3.1 主要分析項(xiàng)目
        2.3.2 其他分析項(xiàng)目
3 連續(xù)流懸浮生長(zhǎng)制氫工藝的建立與運(yùn)行
    3.1 厭氧發(fā)酵制氫關(guān)鍵直接可控影響因素分析
        3.1.1 溫度
        3.1.2 水力停留時(shí)間（HRT）
    3.2 連續(xù)流懸浮生長(zhǎng)制氫工藝的建立
        3.2.1 連續(xù)流懸浮生長(zhǎng)制氫系統(tǒng)啟動(dòng)過程中產(chǎn)氣和產(chǎn)氫量的變化情況
        3.2.2 COD去除率
        3.2.3 液相末端發(fā)酵產(chǎn)物
        3.2.4 pH值
        3.2.5 氧化還原電位（ORP）
    3.3 厭氧發(fā)酵制取氫氣和乙醇
        3.3.1 產(chǎn)氫產(chǎn)乙醇
        3.3.2 液相發(fā)酵代謝產(chǎn)物
        3.3.3 能量轉(zhuǎn)化率
    3.4 本章小結(jié)
4 連續(xù)流附著生長(zhǎng)系統(tǒng)制氫工藝的建立與運(yùn)行
    4.1 連續(xù)流附著生長(zhǎng)系統(tǒng)制氫工藝的建立
        4.1.1 反應(yīng)器進(jìn)水COD和COD去除率的變化
        4.1.2 液相末端發(fā)酵產(chǎn)物的變化
        4.1.3 pH值的變化
        4.1.4 ORP的變化
        4.1.5 產(chǎn)氣和產(chǎn)氫的變化
    4.2 固定化污泥厭氧發(fā)酵生物制氫和生物制乙醇
        4.2.1 氫氣和乙醇的產(chǎn)量
        4.2.2 液相產(chǎn)物的組分
        4.2.3 產(chǎn)能效率
        4.2.4 產(chǎn)氫率和乙醇/乙酸的比值
    4.3 本章小結(jié)
5 連續(xù)流混合固定化污泥反應(yīng)器發(fā)酵制氫
    5.1 CMISR反應(yīng)器乙醇型發(fā)酵微生物菌群的馴化
        5.1.1 液相代謝產(chǎn)物的變化
        5.1.2 產(chǎn)氣和產(chǎn)氫量
        5.1.3 污水處理
        5.1.4 pH值和ORP的變化情況
    5.2 不同OLR對(duì)CMISR反應(yīng)器產(chǎn)氫效能的影響
        5.2.1 OLR變化對(duì)CMISR反應(yīng)器產(chǎn)氣和產(chǎn)氫量的影響
        5.2.2 液相發(fā)酵代謝產(chǎn)物同產(chǎn)氫速率之間的關(guān)系
        5.2.3 在不同pH值條件下Hbu/HAc和ethanol/HAc的變化
    5.3 CMISR反應(yīng)器厭氧發(fā)酵制取氫氣和乙醇
        5.3.1 產(chǎn)氫及產(chǎn)乙醇
        5.3.2 液相末端發(fā)酵產(chǎn)物
        5.3.3 能量轉(zhuǎn)化率
    5.4 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
附錄
攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
致謝

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2880179