污泥厌氧发酵产氢的影响因素分析

论文摘要

发酵法生物制氢技术以其产氢能力高、稳定性好、可实现废物处理资源化等优势而成为生物制氢技术的首选。剩余污泥中包含大量的蛋白质、多聚糖等有机质,一直被认为是一种具有潜力的生物制氢原料。针对剩余污泥厌氧发酵存在着不能实现高效、稳定地生物产氢的难题。本论文研究了提高污泥厌氧发酵产氢量的影响因素,以污泥作为底物,试图通过两种途径改变底物的性质达到提高其厌氧发酵氢气产量的目的。此外,本研究还尝试利用一种新型生物法破解污泥后产氢发酵。本研究针对污泥滤液作为底物产氢发酵进行了研究。灭菌预处理的剩余污泥会释放出大量的有机质,真空抽滤后去除掉污泥中固态物质得到滤液。将预处理污泥与滤液分别作为底物,接种产氢菌Pseudomonas sp. GZ1后产氢发酵。测定两种不同底物发酵反应过程中氢气的产量,以及底物的变化（SCOD、可溶性蛋白质、总糖、pH）。实验结果表明,利用预处理后的污泥滤液作为底物能够有效提高氢气产量。滤液发酵的产氢量达到了4.44mgH2·gCOD-1,比预处理污泥直接发酵提高了近3.3倍。本实验证明污泥中的固态物质在发酵过程中能释放出更多的营养物质,但实际上并不能被产氢菌有效地利用产生更多的氢气,并对其原因进行了探讨。利用一种新型的重金属吸附剂-碳氢磷灰石（CHAP）去除微波预处理后污泥中溶解态重金属。将投加不同量CHAP后预处理污泥作为底物,分别接种产氢菌Enterococcus sp. LG1厌氧发酵比较产氢效果。研究结果显示当底物中CHAP投加量为5g·L污泥-1时,产氢发酵较完全,产氢量最大为10.01mgH2·gCOD-1,氢气产量提高了30%;而当底物CHAP投加量大于10g·L污泥-1,底物对产氢发酵有明显的抑制效应,产氢量骤减。结合底物中性质变化,探讨产生差异的原因,证实了底物中适当重金属去除能够有效提高氢气产量。与传统的污泥预处理方法相比,生物技术处理污泥具有低能耗、低污染、低成本、更安全的特点。应用嗜热酶污泥溶解（S-TE）技术预处理剩余污泥,研究接种产氢菌（Enterococcus sp.LG1）和未接种产氢菌两种状况下,污泥厌氧发酵产氢效果,并与相应温度（65℃）热预处理污泥的发酵产氢效果进行对比。本实验研究嗜热菌与热水解预处理对污泥厌氧产氢影响。在批式试验的基础上,通过对比两种污泥预处理方式厌氧产氢效果,并对污泥发酵过程中底物性质变化进行了分析。结果表明,经S-TE预处理的污泥在未接种外在产氢菌时,产氢效果良好,最大产氢量（H2/VS）高达16.3 mLH2/g·VS,高出65℃热预处理污泥接种产氢菌（Enterococcus sp.LG1）15.6%,高出65℃热预处理污泥未接种产氢菌26.4%,发酵气体中只含有H2和CO2,不含CH4,氢延迟时间短（34 h）,产氢率达最大值后能较稳定地维持10 h以上;S-TE预处理污泥接种产氢菌后,产氢效果不佳,最大产氢率仅为10.7 mL/g·VS。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.1.1 课题研究的背景
• 1.1.2 课题研究的目的和意义
• 1.2 发酵法生物制氢理论现状
• 1.2.1 生物制氢发展
• 1.2.2 生物制氢的理论
• 1.2.3 微生物产氢酶系及代谢机制
• 1.3 发酵法生物产氢技术研究现状
• 1.3.1 工艺型式研究
• 1.3.2 废弃物作为生物制氢的底物
• 1.3.3 控制对策研究
• 1.4 利用污泥厌氧生物产氢研究进展
• 1.4.1 污泥的基本特征
• 1.4.2 污泥的厌氧消化过程
• 1.4.3 污泥的资源化
• 1.4.4 污泥的产氢的现状及存在的问题
• 1.5 课题研究的内容
• 第2章 灭菌预处理污泥及其滤液产氢发酵的比较研究
• 2.1 前言
• 2.2 提高污泥产氢量的主要预处理方法
• 2.2.1 机械法
• 2.2.2 化学法
• 2.2.3 超声波法
• 2.2.4 热水解处理法
• 2.2.5 生物酶分解法
• 2.2.6 冻融法
• 2.2.7 投加产甲烷菌抑制剂
• 2.2.8 污泥过滤法
• 2.3 试验材料
• 2.3.1 剩余污泥
• 2.3.2 产氢菌
• 2.4 主要试验仪器与设备
• 2.4.1 主要试验仪器
• 2.4.2 主要实验装置
• 2.5 分析方法
• 2.5.1 气体组分的分析
• 2.5.2 液体组分分析
• 2.5.3 可溶解性蛋白质和总糖的测定
• 2.6 实验设计与步骤
• 2.6.1 污泥的预处理
• 2.6.2 实验步骤
• 2.7 结果与讨论
• 2.7.1 两种底物在产氢发酵过程中SCOD 的变化
• 2.7.2 发酵过程中氢气产量变化
• 2.7.3 发酵底物中可溶性有机物质变化
• 2.7.4 pH 的变化与产氢发酵类型的比较
• 2.7.5 底物组成的变化对产氢量的影响
• 2.7.6 产氢延迟时间的差异分析
• 2.8 小结
• 第3章 可溶解性重金属去除对预处理污泥产氢发酵的影响
• 3.1 前言
• 3.2 重金属对产氢发酵的影响
• 3.2.1 重金属离子的生物功能
• 3.2.2 生物利用率
• 3.2.3 重金属离子对产氢的影响
• 3.3 试验材料
• 3.3.1 剩余污泥
• 3.3.2 产氢菌
• 3.3.3 重金属吸附剂
• 3.4 主要试验仪器与设备
• 3.4.1 主要的试验仪器
• 3.4.2 主要的试验设备
• 3.5 分析方法
• 3.5.1 污泥中可溶解性重金属浓度
• 3.5.2 气体组分的测定
• 3.5.3 反应末端液态组分的测定
• 3.5.4 可溶解性蛋白质和总糖的测定
• 3.6 实验设计与步骤
• 3.6.1 可溶解性重金属去除
• 3.6.2 厌氧产氢发酵
• 3.7 结果与讨论
• 3.7.1 产氢效果的比较
• 3.7.2 投加不同量CHAP 四种重金属的去除效果
• 3.7.3 氢气产量变化
• 3.7.4 底物中SCOD 的变化
• 3.7.5 可溶解性蛋白质和总糖的变化
• 3.7.6 反应过程中pH 的变化与末端液相的组成
• 3.7.7 CHAP 投加对产氢发酵的影响分析
• 3.8 小结
• 第4章 S-TE 预处理污泥厌氧发酵产氢研究
• 4.1 前言
• 4.2 嗜热菌溶解污泥的研究进展
• 4.2.1 S-TE 污泥溶解原理
• 4.2.2 S-TE 污泥溶解的影响因素
• 4.2.3 S-TE 对后续厌氧处理的影响
• 4.3 试验材料
• 4.3.1 剩余污泥
• 4.3.2 嗜热菌
• 4.3.3 产氢菌
• 4.4 主要的试验仪器与设备
• 4.4.1 主要的试验仪器
• 4.4.2 主要的试验设备
• 4.5 分析方法
• 4.6 实验设计与步骤
• 4.6.1 嗜热菌预处理污泥
• 4.6.2 热水解预处理污泥
• 4.6.3 实验步骤
• 4.7 结果与讨论
• 4.7.1 不同预处理后污泥的产氢情况
• 4.7.2 污泥可溶解性化学需氧量（SCOD）的变化
• 4.7.3 底物中可溶性蛋白质、还原糖浓度的变化
• 4.7.4 污泥pH 的变化
• 4.7.5 污泥中VSS/TSS 的变化规律
• 4.7.6 结果分析
• 4.8 小结
• 结论
• 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