活性污泥厌氧发酵废水产氢的动力学研究

论文摘要

随着世界经济的发展,各国对能源的需求量与日俱增,然而化石燃料这种不可再生能源却接近枯竭。如果不寻找新型替代能源,人类将难以度过能源危机。氢气作为一种新型清洁能源,因其具有燃烧热值高、体积小、完全无污染等特点,是最佳替代能源。另外,氢气除了可以作为燃料燃烧以外,还可以制造燃料电池提供电能,或者作为化工原料等等。所以,发展氢能源势在必行。在调查国内外研究现状和本课题组前期研究成果的基础上,本研究以活性污泥作为厌氧发酵产氢菌种,以模拟蔗糖废水为基质,研究了间歇操作条件下,主要生态因子对厌氧发酵产氢的影响以及间歇操作条件下的动力学,并对连续流操作条件下的厌氧发酵产氢进行了初探。间歇操作厌氧发酵产氢的控制条件研究的结果表明,在本研究条件下,当把反应器中的初始底物浓度控制在6g蔗糖/L、初始pH在8.0附近时,发酵温度保持在35+1℃附近时,可以获得最好的产氢效果,所得到的最大比产氢量为139.65 ml-H2/g-蔗糖。通过对间歇操作条件下厌氧发酵产氢的动力学的研究,本研究得到以下模型：微生物生长模型、产氢模型、基质消耗模型。其中,产氢速率模型经过了本研究的修正后提高了其对实测数据的拟合度。从各动力学模型分析得出,氢气是偶联型为主的产物。理论上微生物生长的延迟时间为7.828h,微生物最大生长浓度为1.640g/L,最大生长速率是0.2344g/（L·h）。理论上产氢的延迟时间为9.156h,最大产氢量为6981mL,最大产氢速率为845.7mL/h。根据间歇操作厌氧发酵产氢的控制条件研究和动力学研究的结果,将反应温度提高到36+1℃,研究了基础发酵时间和停留时间对发酵产氢的影响后得到最佳基础发酵时间为15h,最佳停留时间为6h,符合动力学分析结果。在本研究条件下所获得的产氢速率可达809.4 mL/h,与动力学模型计算结果接近。最大比产氢速率3.24L-H2/（L-反应器·d）,或3.24L-H2/（g-蔗糖·d）。最大氢气含量可达58.48%,反应器可连续运行10天以上。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 制氢技术概述
• 1.3 厌氧生物制氢技术研究现状
• 1.3.1 厌氧生物制氢菌种的研究
• 1.3.2 厌氧生物制氢方法的研究
• 1.3.3 厌氧生物制氢影响因素研究
• 1.3.4 厌氧生物制氢连续流及动力学研究
• 1.3.5 小结
• 1.4 目前存在的问题
• 1.5 本课题的研究内容
• 第二章 厌氧发酵产氢机理概述
• 2.1 EMP途径中的丙酮酸脱羧产氢
• 2.1.1 梭状芽孢杆菌型
• 2.1.2 肠道杆菌型
• +的氧化还原平衡调节产氢'>2.2 NADH+H⁺的氧化还原平衡调节产氢
• 2.3 主要发酵类型
• 第三章 实验设计及分析方法
• 3.1 间歇操作实验设计
• 3.1.1 实验方案
• 3.1.2 实验流程
• 3.1.3 实验装置
• 3.2 间歇反应动力学实验设计
• 3.2.1 实验方案
• 3.2.2 实验流程
• 3.2.3 实验装置
• 3.3 连续流反应实验设计
• 3.3.1 实验方案
• 3.3.2 实验流程
• 3.3.3 实验装置
• 3.4 实验材料
• 3.4.1 废水
• 3.4.2 菌种
• 3.5 实验分析方法
• 3.5.1 产气量
• 3.5.2 气态产物成分
• 3.5.3 pH值
• 3.5.4 化学需氧量COD
• 3.5.5 挥发性悬浮固体MLVSS
• 3.5.6 糖含量
• 3.6 活性污泥预处理
• 3.7 实验指标
• 第四章 间歇操作发酵产氢控制条件的研究
• 4.1 温度对微生物发酵产氢的影响
• 4.1.1 实验条件
• 4.1.2 实验结果
• 4.2 初始pH值对发酵产氢的影响
• 4.2.1 实验条件
• 4.2.2 实验结果
• 4.3 底物浓度对发酵产氢的影响
• 4.3.1 实验条件
• 4.3.2 实验结果
• 4.4 正交实验
• 4.4.1 正交实验设计
• 4.4.2 正交试验结论
• 4.5 结论
• 第五章 间歇式厌氧发酵产氢动力学分析
• 5.1 反应器选择及确定
• 5.2 不同搅拌速率对产氢的影响
• 5.3 动力学研究
• 5.3.1 微生物生长动力学
• 5.3.2 产物生成动力学
• 5.3.3 基质消耗动力学
• 第六章 厌氧发酵产氢连续流操作初探
• 6.1 活性污泥培养
• 6.2 连续流厌氧发酵产氢操作
• 6.2.1 连续流厌氧发酵产氢的启动
• 6.2.2 连续流厌氧发酵产氢效果
• 第七章 结论和建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 致谢
• 附录
• 攻读硕士期间发表论文
• 参考文献