以赤糖為基質(zhì)的生物制氫生態(tài)系統(tǒng)與工藝.pdf

1、當(dāng)今世界礦質(zhì)能源儲備的消耗和持續(xù)的環(huán)境污染,已經(jīng)成為全球亟待解決的重要問題。氫氣作為高效和可再生的清潔能源,越來越被人們所接受,引起人們的廣泛關(guān)注。氫氣的制取技術(shù)的開發(fā)及其作為能源的利用,必將帶來顯著的環(huán)境生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。其中生物制氫技術(shù)已經(jīng)逐漸被各國政府和科學(xué)家們重視。
　　 厭氧發(fā)酵生物制氫技術(shù)中不同底物及其不同濃度對產(chǎn)氫菌的產(chǎn)氫效能具有重要作用,選擇成本低廉的底物也是目前研究的重點。而糖類又是在眾多可用底物中

2、最易被利用來制氫的。赤糖作為成品糖具有溶解性好、價格低、且成分中含有維生素和微量元素,是可用于生物制氫的化合物。
　　 本文依據(jù)厭氧發(fā)酵生物制氫的產(chǎn)氫機(jī)理,以赤糖為基質(zhì)分別采用間歇培養(yǎng)方式和連續(xù)流培養(yǎng)方式對純菌種和微生物混合培養(yǎng)的厭氧發(fā)酵制氫進(jìn)行試驗研究。圍繞不同底物的篩選及以赤糖為基質(zhì)的發(fā)酵法生物制氫反應(yīng)器的啟動和載體強(qiáng)化,并通過對影響生物制氫反應(yīng)器的個別生態(tài)因子的控制,研究厭氧生物制氫反應(yīng)器內(nèi)群落的演替情況。
　　

3、研究結(jié)果表明,對于不同種類單糖(葡萄糖、果糖、半乳糖和甘露糖),分別取濃度為5g/L和10g/L,不同單糖之間的氫氣產(chǎn)量差別較小,但是底物濃度對氫氣產(chǎn)量影響很大;產(chǎn)氫量最大的是10g/L的半乳糖,產(chǎn)氫量為4072ml/L,產(chǎn)氫量最小的是5g/L的果糖。蔗糖為雙糖,其水解形成葡萄糖和果糖,轉(zhuǎn)變成糖酵解途徑的中間產(chǎn)物而進(jìn)入糖酵解途徑,以20g/L的葡萄糖和蔗糖為底物,葡萄糖為底物時產(chǎn)氫菌的產(chǎn)氫量(1.2L/L)小于蔗糖為底物時的產(chǎn)氫量(1.

4、42L/L)。
　　 以赤糖濃度為20 g/L作為試驗的底物濃度,研究產(chǎn)氫菌利用赤糖作為發(fā)酵底物時其發(fā)酵產(chǎn)氫工藝,發(fā)酵時間為60h。實驗發(fā)現(xiàn)不同發(fā)酵階段,氫氣的產(chǎn)量變化也不同。
　　 用可以做發(fā)酵產(chǎn)氫間歇試驗底物的赤糖為CSTR底物來啟動連續(xù)流生物制氫反應(yīng)器(CSTR)。反應(yīng)初期化學(xué)需氧量COD為4000mg/L,系統(tǒng)內(nèi)以丁酸菌群為主,為丁酸發(fā)酵型,產(chǎn)氫量降低后升高,生物量逐漸降低,由于液相發(fā)酵代謝產(chǎn)物增加導(dǎo)致pH值逐漸

5、降低,當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行到25 d時乙酸產(chǎn)量減少,乙醇產(chǎn)量增加,轉(zhuǎn)變?yōu)橐掖夹桶l(fā)酵,且此時產(chǎn)氫量增加,生物量也達(dá)到最高,這說明乙醇型發(fā)酵是此反應(yīng)的最佳發(fā)酵產(chǎn)氫途徑。反應(yīng)中期化學(xué)需氧量COD為3000 mg/L,32d以后總產(chǎn)酸量減少,pH值升高,液相末端產(chǎn)物中乙醇所占比例下降,丙酸成為占比例最高的液相產(chǎn)物,發(fā)酵類型為丙酸型發(fā)酵,生物量下降,菌群活性減弱,產(chǎn)氫量也隨之下降。反應(yīng)后期36d～40d時化學(xué)需氧量COD為1000mg/L,之后41d～4

6、5d化學(xué)需氧量COD恢復(fù)為5000mg/L,這段時期各項參數(shù)均呈下降趨勢,化學(xué)需氧量COD升高并未使生物活性和產(chǎn)氫量提高。
　　 采用活性炭顆粒對曝氣條件下預(yù)處理的活性污泥進(jìn)行固定化,以赤糖為底物,啟動CSTR反應(yīng)器?；钚晕勰喙潭ɑ到y(tǒng)在COD為2000～6000mg/L條件下運(yùn)行、水力停留時間(HRT)6小時,溫度為(35℃±1)C,當(dāng)pH值和氧化還原電位范圍分別為3.4～4.8和-335～-422時,液態(tài)發(fā)酵產(chǎn)物為乙醇、乙酸

7、與少量丙酸、丁酸和戊酸。11d以后,乙醇和乙酸占液相產(chǎn)物總和的比例為72％,形成穩(wěn)定的乙醇型發(fā)酵。化學(xué)需氧量(COD)的去除率最高達(dá)到66％,最后穩(wěn)定在17％,。這顯示載體強(qiáng)化條件下的CSTR生物制氫系統(tǒng)既有較高的產(chǎn)氫量,又有高強(qiáng)度有機(jī)廢水處理能力。
　　 赤糖為底物的活性污泥生物制氫生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)因子如pH、ORP的改變可以引發(fā)不同的發(fā)酵類型。當(dāng)。pn穩(wěn)定在5.2～5.5時,發(fā)酵末端產(chǎn)物主要是丁酸和乙酸,表現(xiàn)為典型的丁酸型發(fā)