高效产氢菌的筛选及污泥减量的可行性研究

论文摘要

氢气作为能源正日益受到人们的重视,从发展清洁能源的角度来看,氢气是最理想的载能体。氢气本身是可再生的,在燃烧时只生成水,不产生任何污染物,甚至也不产生CO2,可以实现真正的“零排放”。与其他含能物质相比,氢气还具有一系列突出的优点。氢气的能量密度高,是汽油的2.68倍;用于贮电时,其技术经济性能目前已有可能超过其他各类贮电技术;将氢气转换为动力,其热效率比常规化石燃料高30%～60%,如氢气可作为燃料电池的燃料,与燃料电池相结合可提供一种高效、清洁、无传动部件、无噪声的发电技术,效率可高出一倍;氢气适于管道运输,可以和天然气共用输送系统;在各种能源中,氢气的输送成本最低,损失最小,优于输电。小型的低温固体离子交换膜燃料电池可用在汽车和火车机车上;氢气也能直接作为发动机的燃料,日本已开发了几种型号的氢能车。预计21世纪初,燃氢发动机将在汽车、机车、飞机等交通工具的应用中实现商业化。氢能可作为“二次能源”,国际上的氢能制备工艺主要有电解制氢、热解制氢、光化制氢、放射能水解制氢、等离子电化学法制氢、矿石燃料制氢和生物制氢等。在这些方法中,96%的氢气都是从天然的碳氢化合物------天然气、煤、石油产品中提取出来的,4%是用水电解制氢技术制取的。除了生物制氢技术外,其他的制氢技术都要消耗大量的化石能源,而且也要在生产过程中造成环境污染,所以采用生物制氢技术,可减少环境污染,节约不可再生能源。生物制氢技术将有可能成为未来能源制备技术的主要发展方向之一。与此同时,生物法污水处理系统每天都有大量的剩余污泥产生,污水处理中产生的大量剩余污泥,如果不做无害化处理,会给环境带来污染。目前常用的污泥处理方法有焚烧法、填埋法、土地利用等方法,但这些方法都对生态环境和人类健康具有长期潜在的危害性。合理地处置、处理、资源化利用污泥,已经成为城市经济发展和可持续性发展的一个重大问题。因此,如果将两者结合,利用细菌厌氧发酵过程来制取氢气,不仅可以将污泥无机化,进而减量,从而减少对环境的污染,还可以产生氢气,缓解能源危机,这是一举两得的事情,因而已引起了国内外研究者们的广泛关注。本研究采用Hungate厌氧培养技术分别从厌氧污泥、好氧污泥及河底泥中分离出12株厌氧产氢细菌,并对其中的Enterococcus sp.LG1进行了研究。结果表明,该株细菌为专性厌氧肠球菌属,革兰氏染色结果为阴性,通过16SrDNA碱基测序和比对证实,该菌株是目前尚未报道过的1个新菌种,并已在GenBank注册,注册序列号为:EU258743,初步确定其细菌学上的分类地位。产气量最高为36.48mL/gTCOD,氢气含量高达73.5%,为已报道文献中以污泥为底物发酵制氢中之最高同时,以灭菌预处理的污泥为底物培养基,对污泥发酵过程中底物性质变化（SCOD、可溶性蛋白质、总糖和pH值等）进行了探讨。本研究得出了高效产氢新菌Enterococcus sp.LG1的最适生长环境。结果表明,高效产氢新菌Enterococcus sp.LG1最适pH为9.0,最适温度为37℃。本研究以灭菌的污泥为底物,分别加入产氢菌、产甲烷菌,使污泥分别经过产氢产甲烷阶段处理。分析了污泥发酵过程中底物性质变化（SCOD、可溶性蛋白质、总糖和pH值等）剩余污泥经产氢、产甲烷两个阶段后减量的可行性。结果表明,污泥在经过二次发酵后,污泥中VSS/SS由82.83下降到了51.42,证实了污泥量确实减少,这一点也是符合发酵理论的。有着重要的工程实践价值的,需要进一步的仔细研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 研究及选题背景
• 1.2 国内外关于生物产氢的研究现状
• 1.2.1 氢气的基本特性
• 1.2.2 产氢方法
• 1.2.3 生物制氢的研究历史
• 1.2.4 生物产氢的类型
• 1.2.5 生物产氢菌的研究
• 1.3 剩余污泥发酵产氢的研究现状及存在的问题
• 1.3.1 剩余污泥发酵产氢的研究现状
• 1.3.2 剩余污泥发酵产氢的研究中存在的问题
• 1.4 研究思路
• 1.5 研究内容
• 第2章 文献综述
• 2.1 厌氧发酵产氢的理论研究
• 2.1.1 厌氧发酵产氢的机理研究
• 2.1.2 产氢酶（Hydrogen-Producing Enzyme）
• 2.2 污泥厌氧生物处理的理论研究
• 2.2.1 污泥的基本特性
• 2.2.2 污泥的分类及组成
• 2.2.3 污泥厌氧消化过程
• 第3章 污泥厌氧发酵中高效产氢菌的筛选及产氢特性
• 3.1 前言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 污泥来源和特性
• 3.2.2 分析方法
• 3.2.3 实验方法
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 菌种的鉴定及其性质
• 3.3.2 菌种的产氢特性
• 3.3.3 菌种的发酵类型
• 3.3.4 污泥中底物变化情况
• 3.3.5 高效产氢新菌 Enterococcus sp. LG1 最佳的产氢条件
• 3.4 结论
• 第4章 污泥经二次厌氧发酵后减量的可行性研究
• 4.1 前言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 污泥来源及特征
• 4.2.2 分析方法
• 4.2.3 实验装置
• 4.2.4 实验方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 产甲烷菌的提取
• 4.3.2 污泥发酵过程中的产氢阶段
• 4.3.3 污泥发酵过程中的产甲烷阶段
• 4.4 结论
• 结论与展望
• 主要结论
• 对未来污泥发酵过程的展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A（攻读学位期间所发表的学术论文目录）