pH值对剩余污泥暗发酵-光发酵联合产氢的影响研究

摘要

污水处理厂的生物处理副产物剩余污泥中含有大量的蛋白质、碳水化合物等可被微生物利用的有机资源,是生物法制取清洁能源-氢气的良好底物。本论文以剩余污泥为发酵底物,以pH值作为控制因子,研究了pH值对暗发酵-光发酵联合产氢过程中氢气产量的综合影响,旨在最大化的实现剩余污泥产氢,同时实现剩余污泥减量化、稳定化和资源化利用。论文首先研究了pH值对剩余污泥暗发酵产氢的影响,结果表明,碱性条件有利于剩余污泥发酵产氢。在pH为10.0的条件下,暗发酵产氢量最大,发酵132h后累积H2产量达23.7mL/gVSS。对剩余污泥暗发酵过程的水解、产酸及产甲烷阶段的进一步分析发现,在pH为10.0时剩余污泥的水解率和挥发性脂肪酸(VFAs)产量都较高,发酵时间为60h时,污泥中的碳水化合物和蛋白质浓度分别为0.96和4.85g/L,发酵132h后,乙酸、丙酸和丁酸的总浓度值达到3.34gCOD/L,而整个过程中产甲烷菌的活性受到抑制,因此得到了较高的累积 H2产量。另外研究还发现,碱性条件下更有利于实现剩余污泥减量化的目的,总悬浮固体(SS)和挥发性悬浮固体(VSS)的减量化最大值为51.83％和49.80%。
　　为进一步提高剩余污泥的利用率及氢气产量,论文以暗发酵过程中产生的发酵液为底物,采用类球红细菌(Rhodobactersphaeroides)为产氢微生物进行光发酵,考察了pH值对光发酵产氢的影响。由于类球红细菌的产氢代谢受NH4+-N浓度、VFAs浓度和光照强度的影响,因此,为了去除这些因素对光发酵产氢的影响,以得到最大的H2产量,论文首先NH4+-N浓度、VFAs浓度和光照强度对光发酵产氢的影响进行了探讨。结果发现NH4+-N浓度会对光发酵产氢产生抑制,NH4+-N为0.005g/L时累积H2产量达到了最大值38.0mL;VFAs浓度过高或过低都会对光发酵产氢产生影响,VFAs浓度为1.88gCOD/L时,产氢停滞期短,H2转化率较高,且在较短的反应时间内能得到最大的累积H2产量,因此是光发酵产氢的最适VFAs浓度;7000lux是光发酵产氢的最适光照强度;pH为7.0时,光发酵240h后得到了最大的累积H2产量,为34.3mL。
　　综合剩余污泥暗发酵和光发酵两部分的研究结果,对暗发酵-光发酵联合产氢的产氢条件进行了探究,结果发现在进行剩余污泥暗发酵时,pH10.0是暗发酵产氢的最佳条件,但用1L剩余污泥暗发酵液作为底物进行光发酵产氢时,pH9.0的暗发酵液得到了更大的氢气产量,为1331.9mL,氢气产率为117.8mLH2/g-VSS,以pH10.0的暗发酵液为底物进行光发酵时得到的氢气产率为117.5mLH2/g-VSS,这两种条件下的氢气产率相差不大,在同时考虑成本的情况下,暗发酵条件为pH9.0时是剩余污泥暗发酵-光发酵联合产氢的最佳条件。
　　最后,通过建立动力学模型,用Gompertz模型来描述pH值对剩余污泥暗发酵和光发酵的动力学影响,结果在暗发酵条件下,各个pH值条件下的拟合度R2都大于0.95,拟合度较好,且在pH10.0的条件下,得到了最大的Pmax(H2最大生成潜能)27.40mL/gVSS和Rm(最大可能H2生成速率)0.26mL/(gVSS·h)。在光发酵产氢过程中,各个pH值条件下的拟合度R2都大于0.99,Pmax的最大值在中性条件下(pH为7.0)时得到,为46.79mL,得出的最大Rm为0.21mL/h,与试验得到了相同的结论。

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1 绪论

1.1 课题来源及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容与技术路线

2 试验材料与测定方法

2.1 试验材料

2.2 测定项目及分析方法

3 pH对剩余污泥暗发酵产氢的影响

3.1 试验方法

3.2 试验结果与讨论

3.3 本章小结

4 光合细菌利用剩余污泥暗发酵液进行光发酵产氢的研究

4.1 光合细菌的基础性研究

4.2 试验方法

4.3 NH4+-N的浓度对光发酵产氢的影响

4.4 VFAs浓度对光发酵产氢的影响

4.5 光照强度对光发酵产氢的影响

4.6 pH对光发酵产氢的影响

4.7 本章小结

5 pH值对暗发酵-光发酵联合产氢的影响

5.1 pH为9和pH为10条件下剩余污泥暗发酵产氢的比较

5.2 利用剩余污泥pH为9.0和pH为10.0暗发酵液进行光发酵产氢的比较

5.3 两种条件下剩余污泥暗发酵-光发酵联合产氢的比较

5.4 本章小结

6 pH值影响剩余污泥暗发酵和光发酵产氢的动力学研究

6.1 动力学模型的选择

6.2 pH值影响暗发酵产氢的动力学研究

6.3 pH值影响光发酵产氢的动力学研究

6.4 本章小结

7 结论与建议

7.1 结论

7.2 建议

参考文献

致谢

攻读硕士期间研究成果

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