基于能值理論的發(fā)酵法生物制氫技術(shù)環(huán)境-資源-經(jīng)濟(jì)綜合效率評價.pdf

1、針對發(fā)酵法生物制氫技術(shù)綜合效率評價問題，以發(fā)酵法生物制氫技術(shù)為基礎(chǔ)，將三元相圖與能值方法相結(jié)合，構(gòu)建了發(fā)酵法生物制氫工藝的環(huán)境-資源-技術(shù)綜合效率模型；在實(shí)驗(yàn)工藝層次上，以發(fā)酵法生物制氫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，評價了種泥培養(yǎng)、制氫反應(yīng)器和制氫底物三個部分不同工藝的綜合效率指標(biāo)；以此為基礎(chǔ)，在產(chǎn)業(yè)工藝層次上，計(jì)算得出生物制氫示范工程的綜合效率指標(biāo)，并將其與已有的可再生能源生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行了比較和分析。
　　在構(gòu)建發(fā)酵法生物制氫工藝的環(huán)境-資源-

2、技術(shù)綜合效率模型中，按照發(fā)酵制氫技術(shù)的產(chǎn)氫原理和流程，將工藝分為三個部分：種泥培養(yǎng)、制氫反應(yīng)器和制氫底物。引入能值理論，將各種生態(tài)流轉(zhuǎn)換為以能值為統(tǒng)一量綱的能值流，構(gòu)建了發(fā)酵法生物制氫技術(shù)環(huán)境-資源-經(jīng)濟(jì)綜合效率模型，模型由兩部分組成，包括：發(fā)酵法生物制氫技術(shù)能值綜合指標(biāo)計(jì)算模型和能值投入結(jié)構(gòu)系數(shù)三元相圖模型，并對模型的各個部分進(jìn)行了說明。設(shè)計(jì)出能值模型的應(yīng)用方案，包括能值分析步驟，能量系統(tǒng)圖的繪制和能值分析表的編制。
　　對發(fā)酵

3、法生物制氫技術(shù)的實(shí)驗(yàn)工藝層次的綜合效率評價，分別從種泥培養(yǎng)、制氫反應(yīng)器和制氫底物三個部分進(jìn)行。種泥培養(yǎng)分為混合培養(yǎng)和純培養(yǎng)生物制氫兩種方法。首先對混合培養(yǎng)的四種預(yù)處理方法所選實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總和能值計(jì)算，所選取的實(shí)驗(yàn)都采用相同的連續(xù)流攪拌槽式反應(yīng)器（CSTR），以葡萄糖為底物。用三元相圖模型擬合出各種預(yù)處理方法的能值投入結(jié)構(gòu)系數(shù)，結(jié)合不同工藝的能值消耗與產(chǎn)氫量關(guān)系曲線，計(jì)算并評價了各工藝的綜合效率指標(biāo)。分析可知，熱處理方法的產(chǎn)氫能值投資率

4、（EIR）最低，為0.24；4種方法的產(chǎn)氫能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)（ESI）屬中等水平，其中堿法預(yù)處理的ESI最高，為4.28。加熱預(yù)處理方法的單位能值產(chǎn)氫率（HYE）高于其他三種預(yù)處理方法。因此加熱預(yù)處理的方法更適合用于種泥培養(yǎng)。然后對純培養(yǎng)發(fā)酵制氫實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)據(jù)匯總和能值計(jì)算，用三元相圖模型擬合出該工藝的能值投入結(jié)構(gòu)系數(shù)，繪制了種泥純培養(yǎng)工藝能值消耗與產(chǎn)氫量關(guān)系曲線，計(jì)算并評價了該工藝的綜合效率指標(biāo)。可知，以葡萄糖為底物，分批培養(yǎng)方式運(yùn)行

5、的種泥純培養(yǎng)發(fā)酵產(chǎn)氫方法的ESI<1，綜合效率很低。
　　在制氫反應(yīng)器部分，對目前常用的CSTR，上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB），厭氧膨脹顆粒污泥床（EGSB）和厭氧生物流化床（AFB）四種構(gòu)型反應(yīng)器發(fā)酵產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總和能值計(jì)算，用三元相圖模型擬合出各種構(gòu)型反應(yīng)器發(fā)酵產(chǎn)氫工藝的能值投入結(jié)構(gòu)系數(shù)，結(jié)合不同工藝的能值消耗與產(chǎn)氫量關(guān)系曲線，計(jì)算并評價了各工藝的綜合效率指標(biāo)。分析可知，用曝氣預(yù)處理方法培養(yǎng)種泥，以有機(jī)廢水為產(chǎn)氫底

6、物時，EGSB的EIR最低，為0.37；CSTR和EGSB作為制氫反應(yīng)器發(fā)酵產(chǎn)氫時，屬于中等可持續(xù)發(fā)展水平，ESI均大于1，但CSTR的ESI值低于EGSB；EGSB的HYE最大值為0.33，是這四種構(gòu)型中最高的，并且EGSB和CSTR的HYE大于其余兩種構(gòu)型制氫反應(yīng)器。結(jié)合能值消耗量與產(chǎn)氫量關(guān)系曲線可知，EGSB作為制氫反應(yīng)器發(fā)酵產(chǎn)氫具有更好的綜合效率。此外，探討了反應(yīng)器的運(yùn)行條件對產(chǎn)氫能值消耗的影響。結(jié)果表明，對于利用相同底物和種泥

7、培養(yǎng)方法，相同的CSTR反應(yīng)器發(fā)酵產(chǎn)氫的工藝，通過合理的調(diào)節(jié)反應(yīng)器的運(yùn)行條件，可以用較低的能值投入增加量獲得較高的氫氣產(chǎn)出。
　　在制氫底物部分，對糖蜜廢水、秸稈和城市固體有機(jī)廢棄物（MSW）三種底物發(fā)酵產(chǎn)氫工藝的綜合效率進(jìn)行評價。在對各實(shí)驗(yàn)進(jìn)行能值消耗量計(jì)算的基礎(chǔ)上，由三元相圖擬合得到能值投入結(jié)構(gòu)系數(shù)，計(jì)算分析了不同底物發(fā)酵產(chǎn)氫的綜合效率指標(biāo)，結(jié)果表明：糖蜜廢水的凈能值產(chǎn)氫率（EYR）最高，為5.26；三種底物的產(chǎn)氫環(huán)境負(fù)荷率（

8、ELR）都很低，對環(huán)境的影響很?。惶敲蹚U水的產(chǎn)氫能值自給率（ESR）最高，為0.78；三種底物都具有發(fā)展的潛力，ESI均大于1，糖蜜廢水的可持續(xù)發(fā)展性最佳；三種底物的HYE數(shù)值接近。因此，糖蜜廢水發(fā)酵產(chǎn)氫技術(shù)的綜合效率最好，就目前的技術(shù)水平而言，最適宜作為發(fā)酵產(chǎn)氫工藝的底物。
　　在產(chǎn)業(yè)工藝層次上，對有機(jī)廢水發(fā)酵法生物制氫技術(shù)生產(chǎn)示范性工程進(jìn)行了能值投入和產(chǎn)出計(jì)算。在生物制氫技術(shù)產(chǎn)業(yè)工藝初期，信息流的能值量在這一階段的能值總量上占

9、有一定份額，示范工程中的智力文化等信息流的能值輸入和輸出分別占總輸入和輸出能值的3.3％和3.7%。生物制氫示范工程的生產(chǎn)效率很高，EYR為3.21，僅次于核電和生物柴油；該項(xiàng)目利用有機(jī)廢水為底物比其他經(jīng)濟(jì)價值較高的底物更節(jié)省環(huán)境能源的投入，EIR值低于全球平均值；項(xiàng)目ESR為0.67，需要改進(jìn)生產(chǎn)工藝，減少不可更新輔助能的投入；在生物氫氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期得到的政府扶植力度還需要加強(qiáng)，產(chǎn)氫能值補(bǔ)益率（EAR）遠(yuǎn)低于生物柴油；項(xiàng)目的產(chǎn)氫可再生