模拟淀粉废水厌氧发酵制氢与燃料电池发电一体化

论文摘要

厌氧发酵生物制氢是以工农业有机废弃物为原料,利用微生物自身的新陈代谢,在比较温和的条件下分解底物产氢。它既实现了废弃物的资源化,又成本低廉,是一种具有广阔发展前景的环境友好的制氢新方法。将厌氧发酵生物制氢与质子交换膜燃料电池发电直接结合起来可以实现废物到电能的转化。本研究做了两方面的工作:一、分别使用污泥和纯菌种做菌种来源,通过厌氧发酵法处理模拟淀粉废水,实现了生物制氢和处理废水的双重目的,并将制得的氢气通过燃料电池转化为电能;二、利用超声波作用促进污泥减量化。主要研究工作如下:1、以取自城市污水处理厂的污泥,不经过预处理,直接作为天然厌氧微生物来源,在37℃控温条件下,厌氧发酵法处理模拟淀粉废水的最佳条件为:发酵液的初始pH值为6.5,底物浓度为5g/L。在最佳控制条件,最大产氢率为186mL/g-淀粉,最大产气速率为220mL/h,生成的混合气体中H2的含量高达75.4%,同时伴随着甲烷的产生;反应后COD的去除率可以达到64%;300mL的模拟淀粉废水厌氧发酵,制得的生物气通入燃料电池,可以产生190J的电功。2、以Klebsiella pneumoniae作为厌氧发酵菌种来源,在37℃控温条件下,厌氧发酵法处理模拟淀粉废水实验的最佳底物条件为:菌种接种量为24mL,发酵液的初始pH值为7.0,底物浓度为1g/L。在最佳控制条件,最大产氢率为192mL/g-淀粉,生成的混合气体中H2的含量达到65.4%。气相产物中只检测到氢气和二氧化碳两种气体,没有其他气体产生。3、利用平行实验探讨了超声时间的不同对污泥的COD值和SCOD值的影响。实验结果表明,在一定声强与声能密度下,COD值随超声时间的延长逐渐降低,并且在一定时间内SCOD溶出率随时间延长线性增长,超声时间继续增加时,SCOD增加趋势减缓,不再沿续线性增长。对比两组厌氧发酵法处理模拟淀粉废水的实验可知,以污泥中的混合菌作为菌种来源时的操作简单,同时也获得了较高了底物转化率和较高的氢气含量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 氢能与生物制氢技术
• 1.1.1 氢气的制取方法
• 1.1.2 生物制氢技术
• 1.2 发酵法制氢的原理
• 1.3 发酵法生物制氢技术的研究现状
• 1.3.1 分离和筛选高效产氢菌种
• 1.3.2 混合菌种产氢技术
• 1.3.3 生态因子对产氢能力的影响
• 1.4 质子交换膜燃料电池（PEMFC）
• 1.4.1 PEMFC的基本组件
• 1.4.2 PEMFC的工作原理
• 1.5 本论文研究的意义及主要内容
• 参考文献
• 第2章 污泥作菌种发酵制氢
• 2.1 淀粉废水的组成
• 2.1.1 玉米淀粉废水
• 2.1.2 薯类淀粉废水
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂及仪器
• 2.2.2 实验方法
• 2.2.3 测定方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 pH值的影响
• 2.3.2 淀粉浓度的影响
• 2.3.3 温度对产气速率的影响
• 2.3.4 淀粉废水中干扰杂质的影响
• 2.3.5 气相产物分析
• 2.3.6 发酵液中微生物菌群观察
• 2.3.7 COD去除率
• 2.3.8 生物制氢在燃料电池中的应用
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第3章 纯菌种厌氧发酵制氢
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 试剂及仪器
• 3.1.2 实验方法
• 3.1.3 测定方法
• 3.1.4 菌种的培养
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 菌种接种量的影响
• 3.2.2 pH值的影响
• 3.2.3 淀粉浓度的影响
• 3.2.4 气相产物分析
• 3.2.5 菌种检测
• 3.3 小结
• 参考文献
• 第4章 污泥的超声减量化处理
• 4.1 超声处理的原理
• 4.1.1 空化作用
• 4.1.2 声化学反应
• 4.2 超声在污泥处理中的应用
• 4.3 实验部分
• 4.3.1 试剂及仪器
• 4.3.2 实验方法
• 4.3.3 测定方法
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 超声时间对COD的影响
• 4.4.2 超声时间对SCOD的影响
• 4.5 小结
• 参考文献
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 工作展望
• 硕士期间的工作成果
• 致谢