甘蔗壓榨汁制氫系統(tǒng)的工程控制對策及其微生物群落研究.pdf

1、人類社會的經(jīng)濟發(fā)展、工業(yè)進步都離不開能源?；茉吹拈_發(fā)和利用給人類的生存環(huán)境及健康都帶來了危害,因此,清潔、可再生能源的開發(fā)和應用成為當今世界需要迫切解決的問題。氫能作為一種清潔、高效、可持續(xù)的能源,被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ男滦湍茉?已逐漸成為能源界關注的熱點。生物制氫作為一種可利用生物質進行能源開發(fā)和再生的技術具有極大的研究和應用前景。發(fā)酵法生物制氫技術的產(chǎn)業(yè)化,開發(fā)可被微生物高效利用的原料、提高系統(tǒng)的產(chǎn)氫穩(wěn)定性以及產(chǎn)氫連續(xù)性仍是該技

2、術需要解決的關鍵問題。
　　 本研究建立了以甘蔗壓榨汁為產(chǎn)氫基質,以厭氧污泥為產(chǎn)氫菌種的厭氧發(fā)酵生物制氫系統(tǒng)。對影響發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氫效能的一系列生態(tài)因子進行調(diào)控,優(yōu)化工程控制參數(shù),針對提高該系統(tǒng)的產(chǎn)氫能力,進行了深入的研究。運用分子生物學手段,對發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)的微生物群落動態(tài)進行了監(jiān)測分析。
　　 在厭氧發(fā)酵生物制氫過程中,反應器啟動困難是其工程應用的制約因素,本文分別對啟動容積負荷和污泥預處理對反應器啟動的影響進行了探討。實

3、驗結果表明,初始容積負荷的高低對生物制氫反應器的啟動具有決定性作用,以6.0kgCOD/m3·d為初始容積負荷進行啟動時形成了丁酸型發(fā)酵類型。啟動初期的有機負荷不易過高,否則,系統(tǒng)的pH值在啟動初期會急劇下降,造成反應系統(tǒng)的過度酸化狀態(tài),最終導致反應器啟動的失敗。好氧污泥和加熱預處理污泥都可用于生物制氫反應器的種泥。以好氧污泥進行啟動時,在啟動25d后,乙酸與丁酸占總量的百分數(shù)在72％～83％之間波動,逐漸形成以丁酸和乙酸為主要發(fā)酵產(chǎn)物

4、的丁酸型發(fā)酵。產(chǎn)氫速率最大值為8.04 L/d。在以加熱預處理污泥進行啟動時,到20d之后形成乙醇與乙酸含量超過80％的乙醇型發(fā)酵類型,最高產(chǎn)氫速率為16.11 L/d。啟動實驗結果表明,污泥的種類和預處理形式是某一發(fā)酵類型形成的關鍵因子,乙醇型發(fā)酵類型相對于丁酸型發(fā)酵而言,生物氣產(chǎn)量及產(chǎn)氫量都相對較高,從而說明微生物對于環(huán)境條件的改變,尤其是有機負荷的提高具有較好的適應能能力,進而說明乙醇型發(fā)酵系統(tǒng)具有更好的產(chǎn)氫穩(wěn)定性。
　　

5、 在生物制氫反應器中,提高容積負荷在一定程度上能夠提高系統(tǒng)的產(chǎn)氣產(chǎn)氫速率,但是當容積負荷超過系統(tǒng)的承載能力時,部分微生物會由于生境的變化較大而被淘汰出反應器,導致系統(tǒng)的COD去除率下降和產(chǎn)氣產(chǎn)氫速率的大幅下降,最終致使作為生物制氫的反應系統(tǒng)的崩潰。金屬元素在微生物生命活動中具有重要的作用,向連續(xù)流發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)中投加適量的Fe2+和Mg2+有助于加快系統(tǒng)的產(chǎn)氫速率。
　　 對于乙醇型發(fā)酵反應系統(tǒng),當容積負荷提升至超過系統(tǒng)產(chǎn)氫效能承

6、載后,系統(tǒng)產(chǎn)氫行為幾乎停滯,如果能夠及時調(diào)整降低進水的有機負荷,生物制氫系統(tǒng)可以恢復產(chǎn)氫行為。對產(chǎn)氫產(chǎn)酸發(fā)酵系統(tǒng)中丁酸型發(fā)酵系統(tǒng)的實驗研究表明,穩(wěn)定運行的容積負荷不易高于20kgCOD/m3·d。甘蔗渣制氫間歇實驗中,在初始pH值為8.5時,獲得最大累積產(chǎn)氫量,當發(fā)酵溫度為35℃時,呈現(xiàn)最佳發(fā)酵產(chǎn)氫效果。
　　 對反應器在啟動期的運行特性進行分析,在啟動期各種揮發(fā)酸的含量都較高,呈現(xiàn)混合酸發(fā)酵,初始生物量較低,隨著反應器的運行逐