CSTR甲烷发酵系统向产酸发酵系统转化的调控运行

摘要

连续流搅拌槽式反应器（CSTR）系统内微生物群落均成絮状结构，并且在搅拌状态下很难得到结构良好的颗粒污泥，因此常被用来作为产酸发酵及发酵生物制氢的装置。CSTR属悬浮絮状厌氧活性污泥系统，在传质和反应速度上较颗粒污泥系统具有明显优势，但目前尚无采用CSTR成功培养完整厌氧消化体系的研究报道。论文借助于两种结构型式的 CSTR，在前期成功培育出具有完整甲烷发酵微生物系统的基础上，探讨了CSTR甲烷发酵系统向产酸发酵系统转化的运行控制对策，以期为以下两个方面的应用奠定基础：（1）CSTR厌氧消化系统的运行控制；（2）借助于产酸发酵菌群和产氢产乙酸菌群的生物质深度发酵产氢技术的研发。
　　研究证明，采用好氧活性污泥为种泥，以稀释糖蜜为底物，在控制进水COD浓度7000 mg/L、HRT18 h、温度35±1℃、pH6.5～7.5等条件下，通过改变HRT和系统pH，可以实现CSTR甲烷发酵系统向产酸发酵系统的转变。主要调控方式为逐渐缩短HRT致8 h，之后逐渐降低系统pH值，使其保持在5.0左右。反应器运行稳定时未检出CH4，H2含量达到21.6％，液相末端产物VFAs总量达到1992mg/L，其中乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和乙醇的百分含量分别为36％、27％、4.5％、2％和30％，呈现混合酸发酵特征。
　　为了在CSTR反应系统中建立以产酸发酵菌群和产氢产乙酸菌群为优势的微生物群落，本论文研究了向CSTR甲烷发酵系统中投加特异性产甲烷菌抑制剂的控制方法。首先，利用选择性丁酸培养基，通过摇瓶试验，比较了特异性产甲烷菌抑制剂氯仿和2-溴乙烷磺酸钠的作用特征，发现2-溴乙烷磺酸钠具有更明显的产甲烷菌活性抑制作用，并初步确定2-溴乙烷磺酸钠的投加量为10 mmol/L。根据静态试验结果，通过进水向CSTR甲烷发酵系统连续投加2-溴乙烷磺酸钠，投加浓度分阶段依次提高，最终在CSTR反应系统内成功抑制了产甲烷作用。转化后的CSTR发酵系统，产气速率稳定在9 L/d，H2含量稳定在2.6%，CH4未检出；液相末端发酵产物VFAs总量达到3357mg/L，其中乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和乙醇的百分含量分别为40％、38％、7％、4.2％和7％，呈现典型的丙酸型发酵。

目录

CSTR甲烷发酵系统向产酸发酵系统转化的调控运行

CONTROL OF A CONTINUOUS FLOW STIRRED-TANK REACTOR (CSTR) TO ACHIEVE ACIDOGENIC FERMENTATION FROM METHANE FERMENTATION

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 厌氧生物处理技术概述

1.2 厌氧生物处理的阶段性理论

1.2.1 厌氧生物处理的三阶段理论

1.2.2 参与厌氧消化过程的主要微生物类群

1.3 厌氧生物处理技术的发展趋势与研究现状

1.3.1 厌氧生物处理技术发展现状

1.3.2 CSTR完整厌氧消化系统的研究现状

1.3.3 厌氧生物处理技术的影响因素

1.4 课题来源与主要研究内容

1.4.1 课题的提出及来源

1.4.2 研究内容

第2章 试验装置与方法

2.1 研究的技术路线

2.1.1 指导思想

2.1.2 技术路线

2.2 试验装置

2.3 试验方法

2.3.1 试验废水

2.3.2 试验种泥

2.3.3 反应器的运行控制

2.4 分析项目及方法

2.4.1 液相末端产物分析方法

2.4.2 气体组分分析方法

第3章 HRT对CSTR系统的调控与运行特征

3.1 Ⅱ型CSTR的初始运行状态及调控方法

3.1.1 启动条件

3.1.2 初始稳定运行状态

3.1.3 HRT对CSTR厌氧消化体系影响的运行控制

3.2 pH及碱度的变化规律

3.3 COD及COD去除率变化规律

3.4 产气量及气体组分变化规律

3.5 出水挥发酸变化规律

3.6 生物量变化规律

3.7 小结

第4章 pH对CSTR系统的调控与运行特征

4.1 pH及碱度变化规律

COD及COD去除率变化规律

4.3 出水挥发酸变化规律

4.4 气体产量及气体组分变化规律

4.5 生物量变化规律

4.6 小结

第5章 利用产甲烷抑制剂构建CSTR产酸发酵体系的研究

5.1 Ⅰ型CSTR的初始运行状态

5.1.1 启动条件

5.1.2 稳定运行状态

5.2 产甲烷菌抑制剂及投加剂量的确定

5.2.1 试验方法

5.2.2 抑制剂的作用效果及剂量确定

5.3 CSTR系统投加产甲烷抑制剂的运行试验研究

5.3.1 pH值和碱度变化情况

5.3.2 COD浓度及去除率的变化情况

5.3.3 产气量及气体成分变化

5.3.4 液相末端发酵产物的变化

5.3.5 生物量的变化

5.4 小结

结论

参考文献

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致谢