“活性污泥-生物膜”一體式復(fù)合生物制氫工藝的運行與控制.pdf

1、由于傳統(tǒng)化石能源的過度使用導(dǎo)致一系列的環(huán)境污染問題，因此，人們迫切尋求可以實現(xiàn)友好環(huán)境的可替代能源。氫能具有清潔、高效、可再生和不產(chǎn)生有害副產(chǎn)物等優(yōu)點，已經(jīng)引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。厭氧發(fā)酵生物制氫技術(shù)一方面可以處理有機(jī)廢棄物（廢水）減少對環(huán)境的危害，另一方面還可以利用有機(jī)廢棄物（廢水）而產(chǎn)生清潔能源（氫氣）而更具發(fā)展前景。懸浮生長系統(tǒng)和附著生長系統(tǒng)是目前最為常用的厭氧發(fā)酵生物制氫系統(tǒng)，本文在研究了上述兩種制氫系統(tǒng)的建立與運行后，提出

2、一種新型的連續(xù)流混合固定化污泥反應(yīng)器(CMISR)發(fā)酵制氫，以期為厭氧發(fā)酵生物制氫技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供基礎(chǔ)的技術(shù)和理論依據(jù)。
　　本文利用糖蜜廢水作為發(fā)酵底物，以連續(xù)流攪拌槽式反應(yīng)器(CSTR)作為反應(yīng)裝置，采用經(jīng)好氧預(yù)處理污泥作為接種污泥，探討了懸浮生長制氫系統(tǒng)的建立及運行特性。研究表明，當(dāng)反應(yīng)器溫度控制在35℃，水力停留時間(HRT)為6h時，pH值和ORP分別穩(wěn)定在3.7～4.57和-230～-464 mV之間，反應(yīng)器運行3

3、5 d后可實現(xiàn)穩(wěn)定的乙醇型發(fā)酵。此時，液相末端發(fā)酵產(chǎn)物以乙醇和乙酸為主，占液相末端發(fā)酵產(chǎn)物總量的83.55％。發(fā)酵氣體中氫氣含量及產(chǎn)氫量分別為30％～45％和1.53 m3/m3d。此外，氫氣和乙醇是具有發(fā)展前景的生物燃料，被認(rèn)為是化石能源的可替代能源。在上述系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定乙醇型發(fā)酵基礎(chǔ)上，探討了不同有機(jī)負(fù)荷(OLR)對發(fā)酵法生物制氫和生物制乙醇的影響。結(jié)果表明，當(dāng)OLR在8～24 kg/m3d范圍內(nèi)變化時，產(chǎn)氫速率和產(chǎn)乙醇速率隨著OLR

4、的提高而增加，并且在OLR為24 kg/m3d時分別得到最佳的產(chǎn)氫速率(12.4mmol/hl)和產(chǎn)乙醇速率（20.27 mmol/hl）。然而，當(dāng)OLR進(jìn)一步提高到32 kg/m3d時，產(chǎn)氫速率和產(chǎn)乙醇速率卻呈現(xiàn)下降趨勢。在液相末端發(fā)酵產(chǎn)物中乙醇含量占31％～59％，為主要的代謝產(chǎn)物。線性回歸方程表明產(chǎn)乙醇速率(y)和產(chǎn)氫速率(x)成正比關(guān)系，方程式為y=0.5431x+1.6816(r2=0.7617)?；跉錃夂鸵掖嫉臒崃恐?，總產(chǎn)

5、能速率被用來衡量整個發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)能效率，在OLR為24kg/m3d時發(fā)酵系統(tǒng)得到最大產(chǎn)能速率31.23 kJ/hl。
　　采用連續(xù)流攪拌槽式反應(yīng)器(Continuous flow Stirred-Tank Reactor,CSTR)作為反應(yīng)裝置，以顆?；钚蕴繛樯镙d體，利用糖蜜廢水厭氧發(fā)酵生物制氫。研究表明，在污泥接種量（以VSS計）為17.74 g/L，溫度為35℃，水力停留時間(HRT)為6h，控制有機(jī)負(fù)荷(OLR)在8 kg

6、COD/(m3d)～24 kgCOD/(m3d)范圍內(nèi)，連續(xù)流附著生長制氫系統(tǒng)可在22 d內(nèi)達(dá)到連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氫。此時，系統(tǒng)pH值為4.28，氧化還原電位(ORP)在-420 mV左右，產(chǎn)氣量和產(chǎn)氫量分別為10.6 L/d和5.9 L/d左右。液相末端發(fā)酵產(chǎn)物中，乙醇和乙酸的含量占揮發(fā)酸總量的89％，為典型的乙醇型發(fā)酵。連續(xù)流附著生長制氫系統(tǒng)表現(xiàn)出較高的抗負(fù)荷沖擊能力和一定的耐低pH值能力，顆粒活性炭可作為固定化活性污泥發(fā)酵制氫載體。同時，

7、還考察了有機(jī)負(fù)荷(OLR)對連續(xù)流附著生長制氫系統(tǒng)發(fā)酵制取氫氣和乙醇的影響。研究表明，H2和乙醇的產(chǎn)率隨有機(jī)負(fù)荷的增加(8～24 kg/m3d)而提高。最高的產(chǎn)氫率(10.74 mmol/hl)和乙醇產(chǎn)率（11.72 mmol/hl）都是在OLR=24 kg/m3d的運行條件下得到的。乙醇為主要的液相發(fā)酵產(chǎn)物，其含量占總的液相代謝產(chǎn)物的38.3％～48.9％。線性方程表明了乙醇產(chǎn)率和H2產(chǎn)率呈正相關(guān)，可表示為y=1.5365x-5.05

8、4(r2=0.9751)（y:乙醇產(chǎn)量;x:氫氣產(chǎn)量）。產(chǎn)能效率以H2和乙醇的熱值來計算，從而評估CSTR反應(yīng)系統(tǒng)的整體產(chǎn)能效率。當(dāng)OLR為24 kg/m3d時，反應(yīng)系統(tǒng)得到最大的產(chǎn)能效率為19.08 kJ/hl。此外，液相代謝產(chǎn)物乙醇和乙酸的產(chǎn)量能夠影響厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)氫效率，當(dāng)乙醇和乙酸的比例接近1得到最大產(chǎn)氫速率，分析認(rèn)為，這是由于NAD+/(NADH+H+的調(diào)整）影響發(fā)酵代謝途徑造成的。
　　利用活性炭作為載體，糖蜜廢水為

9、發(fā)酵底物，采用新型連續(xù)流混合固定污泥反應(yīng)器(Continuous Mixed Immobilized Sludge Reactor,CMISR)作為反應(yīng)裝置，厭氧發(fā)酵生物制氫。研究表明，當(dāng)CMISR反應(yīng)器控制進(jìn)水COD濃度為2000～6000 mg/L，水力停留時間(HRT)為6h，溫度為35℃，pH值和氧化還原電位（ORP）分別在4.06～4.28和-416～-434 mV變化時，CMISR反應(yīng)器在運行40 d后可形成穩(wěn)定的乙醇型發(fā)酵

10、，此時的乙醇和乙酸含量占總液相發(fā)酵代謝產(chǎn)物的89.3％。氫氣含量和COD去除率分別為46.6％和13％。此外，考察了有機(jī)負(fù)荷(OLR)變化對CMISR產(chǎn)氫效能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)CMISR反應(yīng)器中OLR為32 kg/m3d時，系統(tǒng)可得到最大產(chǎn)氫速率(themaximum hydrogen production rate)12.51 mmol/hL; OLR為16 kg/m3d時，系統(tǒng)可得到最佳底物轉(zhuǎn)化產(chǎn)氫量(the maximum hy