有机废水乙醇型发酵产氢系统快速启动及其生物强化研究

摘要

由于生物制氢技术具有清洁无污染和可再生性等优点，被普遍认定是符合低碳战略和可持续发展战略的一种新型生物技术。在生物制氢技术中，发酵法生物制氢因稳定性好、产氢能力高而具有更好的工业化前景。乙醇型发酵产氢是一种新发现的混合培养发酵法生物制氢方法。本文围绕着乙醇型发酵产氢过程的快速启动和生物强化进一步提高产氢效能开展研究，以期为生物制氢技术的工业化提供技术依据和理论支撑。
　　采用糖蜜废水作为有机碳源，利用连续流完全混合搅拌槽式反应器（CSTR），探讨了乙醇型发酵和丁酸型发酵产氢过程的差异，证实了前者具有更优的产氢特性。通过探讨乙醇型发酵产氢过程的快速启动、控制方法及控制参数，以及系统的运行稳定性，表明以控制有机负荷（OLR）为主，以 pH值监测和调节为辅助的手段能够较快地形成乙醇型发酵类型。实验结果表明，接种活性污泥量（以VSS计）为17.7 g/L，温度为35℃，HRT为6 h，当厌氧发酵产氢系统的pH降低到3.2时，产乙醇菌群受到的抑制程度是最小的；当发酵产氢系统的pH恢复到4.6时，产乙醇菌群的代谢活性恢复较快，通过调节进水COD浓度(启动初期4000 mg/L下降到2000 mg/L)，并以调节系统pH值为辅助手段，厌氧发酵制氢系统可在11 d左右完成乙醇型发酵的快速启动。
　　利用颗粒活性炭的吸附性能，对CSTR生物产氢反应器的活性污泥进行固定化，形成完全混合生物膜法制氢工艺。在连续流运行过程中，获得了不同的产酸发酵类型及产氢能力。丁酸型发酵和乙醇型发酵适宜的pH值范围分别为4.4~4.7和4.0～4.2，ORP范围分别为－200～－350 mV和－330～－350 mV。乙醇型发酵获得的最大产氢速率为3.9 m3/(m3·d)，氢气含量56％，优于丁酸型发酵。冲击负荷实验表明，COD有机负荷从正常运行时的40 kg/(m3·d)降低到12 kg/(m3·d)，运行7 d后，再提升到28 kg/(m3·d)的过程中，系统的pH值虽然下降至3.2，但是恢复正常的底物供给时，系统pH值很快恢复至4.5左右，氢气含量从17%上升到48%，产气量增加30%。这说明完全混合生物膜法制氢工艺具有良好的缓冲性能及运行稳定性。
　　采用高效产氢菌种对CSTR产氢系统实施生物强化，确定了连续流发酵法产氢工艺的最佳生物强化控制参数和高效菌种的投加技术。研究表明，系统在一定控制条件下达到稳定运行状态，在有机负荷为12 kgCOD/(m3·d)、投加菌种量为5%的条件下，系统生物强化作用后的平均产气能力和平均产氢能力比生物强化处理前分别提高了12.9%和18%。而且，生物强化作用进一步提高了反应系统的运行稳定性。

目录

有机废水乙醇型发酵产氢系统快速启动及其生物强化研究

RAPID START-UP OF ETHANOL TYPEFERMENTATION SYSTEM FOR HYDROGENPRODUCTION FROM ORGANIC WASTEWATERAND BIOAUGMENTATION

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1 章 绪 论

1.1 概论

1.2 生物制氢技术方法

1.3 厌氧发酵生物制氢机理

1.4 厌氧细菌的发酵法生物制氢系统和工艺

1.5 厌氧发酵生物制氢技术的发展现状

1.6 生物强化技术的应用现状

1.7 本课题研究目的意义与内容

第2 章 试验材料与方法

2.1 试验装置及工艺流程

2.2 试验方法

2.3 试验分析项目及方法

第3 章 乙醇型发酵产氢过程和快速启动研究

3.1 引言

3.2 乙醇型发酵产氢的关键影响因素

3.3 乙醇型发酵产氢能力及运行稳定性分析

3.4 乙醇型发酵产氢过程快速启动方法

3.5 本章小结

第4 章 活性炭载体强化乙醇型发酵产氢效能的研究

4.1 引言

4.2 非固定化CSTR 系统的产氢运行操作

4.3 固定化CSTR 系统的产氢运行效能

4.4 本章小结

第5 章 乙醇型生物产氢的生物强化过程

5.1 引言

5.2 生物强化的主要控制参数的确定

5.3 生物强化的作用效果分析

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

学位论文出版授权书

致 谢

个人简历