附着型和颗粒型膨胀床生物制氢反应器的运行调控

论文摘要

氢气是清洁、高效、可再生能源,也是化石燃料的理想替代品之一。生物制氢具有回收能源和净化环境的双重功效。发酵法生物制氢技术产业化的关键因素是进一步提高反应器系统的产氢能力,降低生产成本。开发高效生物制氢反应器及提高反应器内的产氢微生物生物量是解决这一瓶颈因素的有效途径之一。与传统悬浮生长型反应器相比,附着生长型膨胀床反应器具有在低HRT条件下运行稳定,反应器内可保持较高生物量,传质效率高等优点。尽管如此,其在生物制氢领域的研究及应用还缺乏报道。所以,研究附着生长型膨胀床反应器的启动及运行调控,以获得较高的生物量和产氢能力,对于加速发酵法生物制氢技术的产业化进程具有重要意义。针对以上问题,本文采用3个相同设计尺寸的膨胀床反应器,系统地研究了附着型和颗粒型膨胀床的启动和运行调控及其影响因素,并对两种反应器的产氢效能进行了比较分析。对附着型膨胀床的研究发现,启动容积负荷对获得目标发酵类型至关重要。启动容积负荷为4 kgCOD/m3·d和8 kgCOD/m3·d的2个反应器分别在第32 d和第15 d实现了成功启动。启动容积负荷为8 kgCOD/m3·d的反应器形成乙醇型发酵。采用间歇试验,对反应器的接种污泥进行不同的预处理,并与不经过预处理的对照样品对比,发现多次曝气法是建立乙醇型发酵初始生态群落的有效预处理方法。多次曝气法预处理和加热预处理有效的抑制或杀灭了耗氢菌的活性,可以促进产氢。碱处理和酸处理对于微生物活性的恢复不利。碱处理可观察到甲烷,对耗氢菌的抑制不完全。群落分析结果表明,不同方法的预处理,改变了微生物的初始群落结构,是造成发酵类型及产氢能力差异的内在因素。以多次曝气法预处理的污泥为接种污泥,控制启动容积负荷为8 kgCOD/m3·d,启动附着型膨胀床,连续运行150 d,在运行容积负荷控制120 kgCOD/m3·d左右,pH平均值为4.24.4的条件下,反应器的平均产氢能力为0.71 L/L·h。对颗粒型膨胀床的研究表明,产氢颗粒污泥的形成是反应器成功启动的关键。以缺氧污泥混合厌氧颗粒污泥进行接种,可以快速培养出产氢颗粒污泥。容积负荷也间接影响了颗粒污泥的形成,当反应器容积负荷为3696 kgCOD/m3·d时,颗粒污泥的粒径是随容积负荷的增加而增加的。快速缩短HRT,即加大进水流量来提高容积负荷,比保持HRT不变,提高进水COD浓度对产氢微生物快速颗粒化更加有效。通过快速缩短HRT的策略,可使颗粒污泥粒径增长加快了66.7 %。投加少量微粒载体,可促进产氢微生物颗粒化进程。应用响应曲面法中的CCD模型,对载体投加量和晶核载体的粒径对产氢微生物颗粒化的影响进行分析,发现二者对所形成的颗粒污泥的产氢速率、生物量和粒径都有影响。优化产氢的载体投加方案为:添加的载体粒径为0.68 mm,载体添加比为5.92 %时,预测产氢速率为13.47 L/d,预测生物量为15.82 g/L,预测形成的产氢颗粒污泥平均粒径为1.59 mm。随后进行的验证试验较好的证明了模型的准确性。综合对产氢微生物颗粒化的影响因素,启动颗粒型膨胀床生物制氢反应器,在启动后第20 d观察到颗粒污泥的形成。形成成熟颗粒污泥后,系统最大产氢能力达到1.07 L/L·h,污泥平均浓度高达24.1 gVSS/L。反应器中颗粒污泥的沉速随粒径的增大而增大;但在一定运行条件下,粒径增大到一定程度,沉速便不再增加。试验得到膨胀床内的产氢颗粒污泥在清水中的静沉速与粒径成二次多项式关系,可以表示为Y = 33.93x2 - 8.453x + 16.58,该式拟合程度较好,R2 = 0.998。可以较为准确的反映膨胀床中产氢颗粒污泥的粒径与沉速的关系。以葡萄糖为底物,启动和运行附着型和颗粒型膨胀床。附着型膨胀床在HRT为1.0 h,葡萄糖浓度为40 g/L时,最大产氢速率为6.54 L/L·h;颗粒型膨胀床在HRT为1.5 h,葡萄糖浓度为60 g/L时,最大产氢速率为6.85 L/L·h。而当HRT为1.0 h,葡萄糖浓度为40 g/L时,两个反应器获得的最大氢气产率分别为1.69 mol/mol-葡萄糖和1.54mol/mol-葡萄糖。两个反应器稳定运行时的平均生物量差别不大,均可达到2529 g/L。微生物群落结构分析表明,生物膜和颗粒污泥表面群落结构复杂,细菌种类繁多,颗粒内部的菌群比较单调。生物膜和产氢颗粒污泥内形成了良好的产氢产酸微生态系统;产氢颗粒污泥外部活性要大于颗粒内部,产氢主要在颗粒污泥外部完成,颗粒污泥内部产氢细菌种类和数量较少。对于长期运行的附着型膨胀床,载体的定期补充是必须考虑的;而颗粒型反应器就不必考虑上述不足,所以基于降低运行成本和简化操作复杂性的目的,推荐选择颗粒型膨胀床作为连续流生物制氢反应器进行应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 发酵法生物制氢技术的研究现状
• 1.2.1 发酵产氢微生物及其产氢能力
• 1.2.2 发酵产氢代谢途径
• 1.2.3 生物制氢系统中的几种发酵类型
• 1.2.4 影响发酵产氢能力的生态因子
• 1.3 产氢微生物的生长形式
• 1.3.1 产氢微生物悬浮生长
• 1.3.2 产氢微生物附着生长
• 1.3.3 产氢微生物颗粒化
• 1.4 不同生长形式的生物制氢反应器及其运行调控
• 1.4.1 CSTR反应器
• 1.4.2 UASB反应器
• 1.4.3 填充床反应器
• 1.4.4 膨胀床反应器
• 1.4.5 各种常见反应器产氢性能比较
• 1.5 本课题的研究内容及意义
• 1.5.1 课题来源
• 1.5.2 课题研究的目的与意义
• 1.5.3 目前研究中有待解决的关键问题
• 1.5.4 课题的主要研究内容
• 第2章 试验装置与方法
• 2.1 试验装置与材料
• 2.1.1 连续流试验装置
• 2.1.2 静态试验装置
• 2.2 源污泥及试验用底物
• 2.2.1 源污泥
• 2.2.2 试验用底物
• 2.3 分析项目与方法
• 2.3.1 主要分析项目与方法
• 2.3.2 其它分析项目与方法
• 2.4 DGGE技术实验方法
• 2.4.1 DGGE技术原理
• 2.4.2 仪器与设备
• 2.4.3 操作方法
• 2.5 显微镜分析方法
• 2.5.1 常规光学显微镜观察
• 2.5.2 扫描电子显微镜（SEM）观察
• 2.5.3 激光扫描共聚焦显微镜（CLSM）观察
• 第3章 附着型膨胀床的运行调控
• 3.1 接种污泥预处理对初始种群形成的影响
• 3.1.1 多次曝气法
• 3.1.2 不同预处理方法的控制
• 3.1.3 不同预处理方法对发酵类型及初始种群形成的影响
• 3.1.4 不同预处理方法效果的评价
• 3.2 容积负荷对反应器启动的影响
• 3.2.1 pH及碱度的变化规律
• 3.2.2 ORP的变化规律
• 3.2.3 液相末端产物的分布变化规律
• 3.2.4 有机物去除及底物酸化规律
• 3.2.5 产气（氢）的变化规律
• 3.2.6 最佳启动负荷的确定
• 3.3 附着型膨胀床的运行
• 3.3.1 试验废水、接种污泥及生物载体
• 3.3.2 反应器的启动及运行
• 3.3.3 反应器产氢能力及生物量
• 3.3.4 pH值和碱度（ALK）的变化规律
• 3.3.5 乙醇型发酵及微生物观察
• 3.4 附着型膨胀床内微生物的生长
• 3.5 本章小结
• 第4章 颗粒型膨胀床的运行调控
• 4.1 产氢污泥颗粒化的影响因素
• 4.1.1 接种污泥的影响
• 4.1.2 容积负荷的影响
• 4.1.3 晶核载体对颗粒污泥形成的影响
• 4.1.4 晶核载体添加量及添加比例的影响
• 4.2 颗粒型膨胀床连续流产氢研究
• 4.2.1 反应器的启动与运行
• 4.2.2 反应器的产氢能力
• 4.2.3 pH值和氧化还原电位（ORP）的变化规律
• 4.2.4 颗粒污泥的形成及其对产氢的影响
• 4.3 产氢颗粒污泥的形成机制
• 4.4 产氢颗粒污泥形成过程中微生物的群落生态演替
• 4.4.1 颗粒污泥的基因组DNA的提取和纯化
• 4.4.2 基因组DNA的PCR扩增
• 4.4.3 培养过程中颗粒污泥中微生物群落生态演替
• 4.5 产氢颗粒污泥的特性
• 4.5.1 产氢颗粒污泥的表观性状
• 4.5.2 产氢颗粒污泥的粒径与沉降速率的关系
• 4.6 颗粒型与附着型膨胀床生物制氢反应器的比较
• 4.6.1 产氢速率和氢气产率
• 4.6.2 生物持有量
• 4.6.3 微生物的种群结构
• 4.6.4 运行稳定性分析
• 4.7 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
• 个人简历