厌氧接触发酵制氢工艺及其运行特性

论文摘要

氢气作为一种清洁、无污染、高效的能源载体,被认为是最有吸引力的新型替代能源之一,其生产和应用技术已成为衡量一个国家能源科技发展水平的重要标准之一。发酵法生物制氢技术,以生物质为原料进行可再生能源物质—氢气的生产,符合可持续发展战略的要求,已成为世界各国竞相开发的高新技术之一。近年来基于乙醇型发酵制氢工艺和理论,大量开展了以提高该工艺的产氢效率、完善工程控制对策、实现工业化生产为最终目的的理论和应用研究。但是目前混合菌种乙醇型发酵产氢系统的产氢效能和稳定性能低下,乙醇型发酵制氢工艺的工程控制对策还有待完善,产氢效率还有待进一步提高。本文针对以上问题,开发出了厌氧接触产酸发酵制氢反应设备,通过连续流的试验运行,对发酵生物制氢法最佳发酵类型—乙醇型发酵的快速启动的工程控制对策及其有机负荷对系统产氢效能的影响进行了深入的研究。研究结果证明,厌氧接触产酸发酵制氢反应设备的启动,可以污泥负荷控制为主,pH调节为辅助的手段,获得预期的乙醇型发酵类型。通过控制污泥龄,将反应器的污泥负荷控制在2.0~3.0 kgCOD/gMLVSS·d,则有利于淘汰系统中的耗氢产甲烷菌。当接种污泥为好氧污泥,启动负荷为15 kgCOD/m3·d时,启动后反应系统不需任何调控,模型反应器在启动后25天即形成了稳定的乙醇型发酵。采用啤酒废水处理厂二沉池的剩余污泥为种泥,在接种量9.16 gMLVSS/L、HRT 6 h、进水COD浓度5000 mg/L、容积负荷为20 kgCOD/m3·d、pH值5.0~6.6、温度35±1℃的条件下,厌氧接触产酸发酵制氢反应设备在运行50天后,形成了稳定的乙醇型发酵。在有机负荷为44 kg/m3·d的条件下,产气速率和产氢速率分别达到117.8 L/d和43.5 L/d,其氢气的百分含量平均为37.2%,比产氢速率为4.6 m3/m3?d。在有机负荷对反应系统产氢性能影响的试验中,系统的产氢速率随着系统有机负荷的提高的增加,并始终没有出现污泥流失现象。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 生物制氢技术的主要研究方向
• 1.2.1 光合法生物制氢技术
• 1.2.2 发酵法生物制氢技术
• 1.3 发酵法生物制氢技术的发展现状
• 1.3.1 高效产氢菌种的分离和筛选
• 1.3.2 生态因子对产氢能力的影响
• 1.3.3 混合菌种产氢技术的崛起
• 1.4 课题研究的目的与主要内容
• 1.4.1 课题的提出
• 1.4.2 课题来源
• 1.4.3 研究的目的与意义
• 1.4.4 主要研究内容
• 第2章 实验装置、材料与方法
• 2.1 实验技术路线的确定
• 2.1.1 实验可行性分析
• 2.1.2 研究试验的技术路线
• 2.2 实验装置的设计与制作
• 2.2.1 模型反应器的设计
• 2.2.2 模型反应器装置
• 2.3 实验材料与方法
• 2.3.1 实验废水与菌种来源
• 2.3.2 主要分析项目与方法
• 第3章 厌氧接触发酵生物制氢系统的启动与运行控制方法研究
• 3.1 制氢反应系统的初次启动
• 3.1.1 相关控制参数
• 3.1.2 系统运行的工艺参数变化特征
• 3.2 促进乙醇型发酵形成的加速启动
• 3.2.1 启动条件
• 3.2.2 系统运行的工艺参数变化特征
• 3.3 本章小结
• 第4章 有机负荷对厌氧接触发酵生物制氢系统产氢特性的影响
• 4.1 反应系统的运行与调控
• 4.1.1 产氢速率的变化
• 4.1.2 液相末端发酵产物的变化
• 4.1.3 pH和碱度的变化
• 4.1.4 氧化还原电位的变化
• 4.1.5 COD的变化
• 4.1.6 生物量的变化
• 4.2 有机负荷对反应系统产氢特性的影响
• 4.2.1 污泥负荷率对反应系统产氢特性的影响
• 4.2.2 反应系统的产氢效能评价
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢