以淀粉糖浆为底物的CSTR生物制氢反应器的启动与运行

摘要

氢气是目前最理想的清洁能源之一。考虑到制氢成本和环境友好程度，其成本不高，并有着丰富的原材料，人们能利用固体废弃物、生活污水、动物粪便和各种餐厨垃圾等物品发酵制氢，这在获得了氢气的同时也净化水质，达到了保护环境的目的，起到了废物无害化和资源化的双赢效果。
　　本研究对SS-CSTR（以淀粉糖浆为底物的CSTR系统）与BS-CSTR（以红糖为底物的CSTR系统）的启动与运行进行了对比，讨论了以淀粉糖浆作为制氢底物的可行性，并研究了工程控制参数pH值对SS-CSTR系统稳定性的影响。
　　采取由启动初期的较高OLR[18 kg/(m3·d)]降至较低OLR[9 kg/(m3·d)]的方式（污泥接种量分别为18.11 gVSS/L和18.04 gVSS/L，温度为35±1℃，HRT=6 h），SS-CSTR与BS-CSTR系统均可以实现在16 d左右启动。启动完成后，SS-CSTR与BS-CSTR系统的pH值分别稳定在4.37和4.28左右，生物气产量分别达到3.00 L/d和4.52 L/d，其中氢气含量分别为74.60％和75.28％，SS-CSTR系统液相末端发酵产物的乙醇及乙酸含量分别为536.678 mg/L和396.978 mg/L，二者共占液相末端发酵产物的75.54％，BS-CSTR系统乙醇及乙酸含量分别为550.395 mg/L和412.357 mg/L，二者共占液相末端发酵产物的76.49％，两系统均形成典型的乙醇型发酵。
　　经对比SS-CSTR系统与BS-CSTR系统的启动情况，可以得出以下结论:SS-CSTR系统的启动效果与BS-CSTR系统相比较差，SS-CSTR应对环境条件变化的调节能力逊于BS-CSTR系统。其原因是SS-CSTR系统中易于被微生物消化利用的糖分含量低于BS-CSTR系统。
　　通过提高有机负荷的方式考察了SS-CSTR与BS-CSTR运行的稳定性。OLR由9 kgCOD/(m3·d)提高到24 kgCOD/(m3·d)后，SS-CSTR与BS-CSTR系统均可在9d重新达到稳定运行状态，其COD去除率分别由8.30％和18.00％分别提高至22.00％和20.00％，产气量分别由3.00 L/d和4.52 L/d提高至25.00 L/d和29.00 L/d，气体中氢气所占比例分别达到65.4％和64.6％左右。乙醇型发酵的主要目的产物乙醇和乙酸的含量在液相末端发酵产物中的质量百分数分别可达84％和82％左右，其中乙醇的质量百分数分别可达59％和60％左右，可见两系统保持了乙醇型发酵的特征。
　　在运行阶段，比较SS-CSTR与BS-CSTR的pH值、ORP、COD去除率以及氢气产量的标准偏差，BS-CSTR系统均低于SS-CSTR系统。由此可得出结论:SS-CSTR和BS-CSTR系统均具有良好的稳定性，但SS-CSTR系统略差于BS-CSTR系统。
　　本研究条件下，淀粉糖浆的氢气产率为1.41 mmol/(L·h)，红糖的氢气产率为1.62 mmol/(L·h)。可以认为利用淀粉糖浆制氢具有一定可行性。
　　对SS-CSTR工程控制参数pH值的改变使反应器内部的优势种群发生了改变，引起了发酵类型的变化。前10 d，pH值控制在5.2～5.5时，液相产物主要由丁酸和乙酸构成，乙醇含量很低，呈现出丁酸型发酵。11 d～20 d，pH值控制在3.8～4.2，发酵产物逐步转换为以乙醇和乙酸为主，发酵类型呈现出典型的乙醇型发酵。
　　由此可知，当微生物生境处于相对稳定的状态时，某一种群的生态因子恰好满足环境条件中限制性因子集合，此种群可成为优势菌群。因此，在实际应用中，为促使所需代谢产物的菌群处于优势地位，应人为创造对其有利的环境条件，使环境适宜该种微生物的生长与代谢。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 生物制氢技术的主要研究方向

1．2．1 国内外相关研究现状及发展趋势

1．2．2 厌氧发酵制氢的发展动态

1．2．3 利用不同基质产氢进展

1．2．4 发酵法生物制氢的发酵类型

1．2．5 CSTR生物制氢反应器

1．3 本课题的来源及主要研究内容

1．3．1 本课题的来源

1．3．2 主要研究内容

1．3．3 技术路线图

2 试验装置与方法

2．1 底物的选择——玉米淀粉糖浆

2．2 试验装置与工艺流程

2．3 污泥预处理

2．4 实验进水

2．5 分析项目与方法

2．5．1 pH及氧化还原电位(ORP)的测定

2．5．2 化学需氧量(COD)的测定

2．5．3 SS及VSS的测定

2．5．4 气相末端产物的测定

2．5．5 液相末端产物的测定

3 以不同底物启动CSTR的对比

3．1 污泥的驯化

3．1．1 接种污泥的预处理

3．1．2 污泥预处理方式

3．2 CSTR反应器启动参数的设定

3．3 SS-CSTR与BS-CSTR启动阶段pH值变化对比

3．4 SS-CSTR与BS-CSTR启动阶段ORP变化对比

3．5 SS-CSTR与BS-CSTR启动阶段液相产物变化对比

3．7 SS-CSTR与BS-CSTR启动阶段COD去除率的变化对比

3．8 SS-CSTR与BS-CSTR启动阶段碱度的变化对比

3．9 本章小结

4 SS-CSTR与BS-CSTR系统运行稳定性及产氢效能分析

4．1 SS-CSTR与BS-CSTR系统的运行稳定性对比

4．1．1 有机负荷的提高

4．1．2 SS-CSTR与BS-CSTR系统运行过程中pH值变化

4．1．3 SS-CSTR与BS-CSTR系统运行过程中ORP变化

4．1．4 SS-CSTR与BS-CSTR系统运行过程中COD去除率变化

4．1．5 SS-CSTR与BS-CSTR系统运行过程中液相产物变化

4．1．6 SS-CSTR与BS-CSTR系统运行过程中气相产物变化

4．1．7 SS-CSTR与BS-CSTR运行稳定性的对比

4．2 SS-CSTR与BS-CSTR产氢效能对比

4．3 本章小结

5 工程控制参数pH值的调控对SS-CSTR稳定性的影响

5．1 pH值的调控对液相产物的影响

5．2 pH值的调控对ORP的影响

5．3 pH值的调控对COD去除率的影响

5．4 pH值的调控对产气量的影响

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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