甘蔗壓榨汁制氫系統(tǒng)的工程控制對(duì)策及其微生物群落研究.pdf

1、人類社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工業(yè)進(jìn)步都離不開(kāi)能源?；茉吹拈_(kāi)發(fā)和利用給人類的生存環(huán)境及健康都帶來(lái)了危害,因此,清潔、可再生能源的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用成為當(dāng)今世界需要迫切解決的問(wèn)題。氫能作為一種清潔、高效、可持續(xù)的能源,被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ男滦湍茉?已逐漸成為能源界關(guān)注的熱點(diǎn)。生物制氫作為一種可利用生物質(zhì)進(jìn)行能源開(kāi)發(fā)和再生的技術(shù)具有極大的研究和應(yīng)用前景。發(fā)酵法生物制氫技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化,開(kāi)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(shù)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　 本研究建立了以甘蔗壓榨汁為產(chǎn)氫基質(zhì),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(duì)影響發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氫效能的一系列生態(tài)因子進(jìn)行調(diào)控,優(yōu)化工程控制參數(shù),針對(duì)提高該系統(tǒng)的產(chǎn)氫能力,進(jìn)行了深入的研究。運(yùn)用分子生物學(xué)手段,對(duì)發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)的微生物群落動(dòng)態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析。
　　 在厭氧發(fā)酵生物制氫過(guò)程中,反應(yīng)器啟動(dòng)困難是其工程應(yīng)用的制約因素,本文分別對(duì)啟動(dòng)容積負(fù)荷和污泥預(yù)處理對(duì)反應(yīng)器啟動(dòng)的影響進(jìn)行了探討。實(shí)

3、驗(yàn)結(jié)果表明,初始容積負(fù)荷的高低對(duì)生物制氫反應(yīng)器的啟動(dòng)具有決定性作用,以6.0kgCOD/m3·d為初始容積負(fù)荷進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)形成了丁酸型發(fā)酵類型。啟動(dòng)初期的有機(jī)負(fù)荷不易過(guò)高,否則,系統(tǒng)的pH值在啟動(dòng)初期會(huì)急劇下降,造成反應(yīng)系統(tǒng)的過(guò)度酸化狀態(tài),最終導(dǎo)致反應(yīng)器啟動(dòng)的失敗。好氧污泥和加熱預(yù)處理污泥都可用于生物制氫反應(yīng)器的種泥。以好氧污泥進(jìn)行啟動(dòng)時(shí),在啟動(dòng)25d后,乙酸與丁酸占總量的百分?jǐn)?shù)在72％～83％之間波動(dòng),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(yù)處理污泥進(jìn)行啟動(dòng)時(shí),到20d之后形成乙醇與乙酸含量超過(guò)80％的乙醇型發(fā)酵類型,最高產(chǎn)氫速率為16.11 L/d。啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,污泥的種類和預(yù)處理形式是某一發(fā)酵類型形成的關(guān)鍵因子,乙醇型發(fā)酵類型相對(duì)于丁酸型發(fā)酵而言,生物氣產(chǎn)量及產(chǎn)氫量都相對(duì)較高,從而說(shuō)明微生物對(duì)于環(huán)境條件的改變,尤其是有機(jī)負(fù)荷的提高具有較好的適應(yīng)能能力,進(jìn)而說(shuō)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(yīng)器中,提高容積負(fù)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(dāng)容積負(fù)荷超過(guò)系統(tǒng)的承載能力時(shí),部分微生物會(huì)由于生境的變化較大而被淘汰出反應(yīng)器,導(dǎo)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(yīng)系統(tǒng)的崩潰。金屬元素在微生物生命活動(dòng)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(duì)于乙醇型發(fā)酵反應(yīng)系統(tǒng),當(dāng)容積負(fù)荷提升至超過(guò)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(shí)調(diào)整降低進(jìn)水的有機(jī)負(fù)荷,生物制氫系統(tǒng)可以恢復(fù)產(chǎn)氫行為。對(duì)產(chǎn)氫產(chǎn)酸發(fā)酵系統(tǒng)中丁酸型發(fā)酵系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究表明,穩(wěn)定運(yùn)行的容積負(fù)荷不易高于20kgCOD/m3·d。甘蔗渣制氫間歇實(shí)驗(yàn)中,在初始pH值為8.5時(shí),獲得最大累積產(chǎn)氫量,當(dāng)發(fā)酵溫度為35℃時(shí),呈現(xiàn)最佳發(fā)酵產(chǎn)氫效果。
　　 對(duì)反應(yīng)器在啟動(dòng)期的運(yùn)行特性進(jìn)行分析,在啟動(dòng)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(yīng)器的運(yùn)行逐