收藏本站
《东北农业大学》 2013年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

混合原料厌氧发酵产氢产甲烷技术研究

刘爽  
【摘要】:厌氧发酵技术在处理有机废弃物的同时获得氢气或者甲烷,近年来受到广泛关注。氢气是一种完全清洁的高能燃料,在其燃烧过程只产生水,而且可以直接通过燃料电池转化为电能,具有较高的能量转化效率。甲烷也是一种高能燃料。虽然其燃烧产物为二氧化碳,但由于来自于生物质,本质上厌氧发酵产生的甲烷是碳中性的。氢气和甲烷分别是厌氧发酵不同阶段的产物。本研究的目的是根据厌氧发酵的阶段性,从有机废弃物中逐级梯度回收氢和甲烷。为了区别于传统的厌氧发酵技术,称之为两相厌氧发酵产氢产甲烷技术。两相厌氧发酵产氢产甲烷技术不仅在理论上可以获得更高的能量回收率,而且还提供了厌氧发酵技术与燃料电池技术直接耦合的可能性,对于扩展厌氧发酵技术的应用领域具有重要意义。 虽然目前很多学者已经开展了针对两相厌氧发酵产氢产甲烷的研究,从已有的研究来看,如何在以廉价的有机废弃物作为原料时实现稳定高效产氢产甲烷的问题仍然没能得到很好的解决。另外关于两相厌氧发酵产氢产甲烷技术的动力学及两相各自的优势菌群的分析也非常缺乏,有待于深入研究。 本论文在深入了解牛粪、猪粪、餐厨废弃物、马铃薯渣等4种原料单独厌氧发酵的特性及其产甲烷潜力的基础上,采用混料试验设计探讨原料组成对产氢性能的影响,并确定适宜的原料组成。采用单因素试验分别探讨原料的混合比例、原料的浓度和水力停留时间对厌氧产氢发酵过程的影响机制,并在此基础上应用响应曲面法确定了最优的因素水平组合。分析最优条件下产氢过程潜在的抑制物,并探讨系统对不同抑制物的耐受限度。在不同的有机负荷率条件下,对单相产甲烷系统和两相产氢产甲烷系统在产气、原料转化和稳定性等方面性能进行综合对比,并从动力学和分子生态学角度对单相系统和两相系统的差异进行了解析。获得的研究成果如下: 1)牛粪、猪粪、餐厨废弃物和马铃薯渣的VS产甲烷率分别为266.63、363.00、517.11和438.33mL/g。餐厨废弃物和马铃薯渣具有产气速度较快、发酵过程中易酸化的共性,而牛粪和猪粪具有产气速率平缓,发酵过程中pH稳定的共性。性质相近的原料在混合发酵产氢过程中表现出拮抗作用,性质相悖的原料表现出明显的协同作用,产氢率和原料降解率都比单一原料有较大提升。经优化得到厌氧发酵产氢的最佳原料组成为餐厨废弃物:马铃薯渣:猪粪:牛粪为53.58:0:46.42:0,此时VS产氢率为26.28mL/g、VS降解率为27.60%、最终pH为5.26。 2)在确定牛粪和餐厨废弃物比较适宜进行混合产氢发酵基础上,分别探讨牛粪和餐厨废弃物的混合比例、原料的浓度和水力停留时间对厌氧产氢发酵过程的影响规律,在单因素试验的基础上应用响应曲面法中的Box-Behnken设计分析上述三因素对容积产氢率、VS产氢率、VS降解率、pH和稳定性的交互作用,通过回归分析建立了上述指标关于三因素的二次模型,并对因素的水平组合进行多目标优化,最终确定最优的工艺参数如下:混合比例为50%、原料浓度为80g/L、水力停留时间为2d。在最优条件下,容积产氢率、VS产氢率、VS降解率、pH和稳定性分别为1.09L/(L.d)、30.22mL/g、25.85%、5.21和0.62。 3)确定了牛粪和餐厨废弃物混合厌氧发酵产氢的潜在抑制物是油脂、氯化钠、乳酸和氨。乳酸对产氢过程的抑制最为强烈,当乳酸浓度为2g/L时,产氢很快停止,VS降解率也快速下降。最终pH降至4.0,VS降解率仅为10%。在浓度较低时油脂、氯化钠和氨都对产氢有促进作用,高浓度时则抑制产氢。油脂、氯化钠和氨对产氢的抑制浓度分别为16g/L、9g/L和2.58g/L。 4)对不同的有机负荷率,对单相产甲烷系统和两相产氢产甲烷系统在产气、原料转化和稳定性等方面性能进行了研究,结果表明两相厌氧产氢产甲烷系统能承受的最大有机负荷率高于单相产甲烷系统,具有比单相系统更高的容积产甲烷率和VS降解率,但单相系统具有更高的能量回收率。单相系统所能承受的最大有机负荷率为5.6g/(L.d),此时容积产甲烷率最高,为1.57L/(L.d),平均VS产甲烷率和VS降解率分别为290.79mL/g和45.27%,系统的能量回收率为41.77%。两相系统的产甲烷相所能承受的最大有机负荷率为9g/(L.d)。最高的容积产甲烷率为1.85L/(L.d),出现在水力停留时间为10d、有机负荷率为7.2g/(L.d)时。此时平均VS产甲烷率、系统总VS降解率分别为256.28mL/g和51.76%,系统能量回收率为38.19%。 5)基于Contois方程和Chen-Hashimoto方程,建立了描述水力停留时间对出料浓度影响的动力学模型。单相系统和两相系统的动力学参数μm值分别为0.167和0.293,K值分别为0.204、和0.403,R值分别为0.465和0.409。两相系统的μm和K均大于单相系统,说明两相系统微生物的比生长速率高于单相系统;两相系统的R小于单相系统,表明两相系统对原料的降解能力也高于单相系统。经检验,模型可以很好的对不同水力停留时间下的出料浓度进行预测。 6)采用PCR-DGGE技术和扫描电镜技术对不同有机负荷率下单相系统和两相系统微生物的群落结构及动态进行了解析。结果表明,产氢相的微生物群落结构较为简单,优势菌群为蛋白溶解梭菌(Clostridium proteoclasticum)、门多萨假单胞菌(Pseudomonas mendocina)、Olsenella属菌、同型产乙酸菌(Acetobacterium sp)和未培养的瘤胃微生物。单相系统和两相系统的产甲烷相微生物群落的演替规律相似,在稳定运行期二者的微生物多样性都很高,优势菌为甲烷鬃毛菌(Methanosaeta)和马氏甲烷球菌(Methanococcus),同时还存在着相当数量的Olsenella属、丝状杆菌属(Fibrobacters sp.)、梭菌属(Clostridium sp.)、Parabacteroides属、巨型球菌属(Megasphaera)等微生物。当缩短水力停留时间使系统酸化时,上述非优势种群逐渐转化为优势种群。
【学位授予单位】:东北农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:S216.4

【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张孟军;发酵产氢:废水处理新方法[J];军民两用技术与产品;2002年07期
2 李建昌,张无敌,宋洪川,刘土清,马欢,夏朝凤;pH值调控对发酵产氢的影响[J];能源工程;2004年06期
3 ;发酵产氢:废水处理的新方法[J];宁夏工程技术;2002年03期
4 卢怡,尹德升,张无敌,宋洪川,尹芳,李建昌,夏朝凤;牛粪、鸡粪发酵产氢潜力的研究[J];可再生能源;2004年02期
5 张雪松,朱建良;影响纤维素类物质厌氧发酵产氢因素的研究[J];生物技术通报;2005年02期
6 李建昌;刘士清;张无敌;官会林;尹芳;孙可伟;;发酵产氢面临的问题及对策[J];可再生能源;2006年04期
7 黄惠莹;周兴求;;微波预处理对厌氧颗粒污泥发酵产氢的影响[J];中国给水排水;2010年23期
8 李建昌,张无敌,宋洪川,谢建;生物质产氢的研究现状与发展[J];能源工程;2001年06期
9 李明;赵由才;徐迪民;;矿化垃圾与碱性添加剂对餐厨垃圾发酵产氢的影响[J];中国给水排水;2008年03期
10 万伟;王建龙;;Mg~(2+)浓度对混合细菌发酵产氢的影响[J];清华大学学报(自然科学版);2008年12期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 李秋敏;杨斌;张无敌;马煜;李建昌;刘士清;徐锐;尹芳;陈玉保;;蔗糖发酵产氢与产甲烷能源转换效率的研究[A];2011年中国沼气学会学术年会暨第八届理事会第二次会议论文集[C];2011年
2 王玉波;李炜炜;樊耀亭;侯红卫;;微生物发酵产氢过程的化学计量学及热力学分析[A];2011年中西部地区无机化学化工学术研讨会论文集[C];2010年
3 马欢;刘伟伟;王秀菊;刘士清;李建昌;张无敌;;不同阴离子在生物质发酵产氢中的作用研究[A];安徽节能减排博士科技论坛论文集[C];2007年
4 马欢;刘伟伟;王秀菊;刘士清;李建昌;张无敌;;不同阴离子在生物质发酵产氢中的作用研究[A];现代农业理论与实践——安徽现代农业博士科技论坛论文集[C];2007年
5 焦安英;李永峰;刘琨;;活性污泥利用甘蔗渣进行发酵产氢的特性[A];2010中国环境科学学会学术年会论文集(第四卷)[C];2010年
6 李永峰;陈红;韩伟;徐菁利;;CSTR反应器发酵产氢操作及工程参数测定方法的研究[A];上海市化学化工学会2009年度学术年会论文集[C];2009年
7 王相晶;任南琪;李建政;张颖;陈兆波;郭婉茜;李永锋;;影响发酵细菌B49产氢因子研究[A];21世纪太阳能新技术——2003年中国太阳能学会学术年会论文集[C];2003年
8 刘旭;马春红;李晓煜;何晓棣;甄占萍;吴哲;王立安;贾银锁;;利用农林废弃物发酵产氢的研究[A];植保科技创新与病虫防控专业化——中国植物保护学会2011年学术年会论文集[C];2011年
9 任南琪;李永峰;李建政;;发酵产氢细菌产氢基因及其克隆策略[A];21世纪太阳能新技术——2003年中国太阳能学会学术年会论文集[C];2003年
10 王媛媛;张衍林;晏水平;周洪亮;李武;;两相联合厌氧发酵产氢气—甲烷的工艺参数验证[A];2011年中国沼气学会学术年会暨第八届理事会第二次会议论文集[C];2011年
中国重要报纸全文数据库 前1条
1 金声 王铁钢 记者 李丽云;国内首台大学生自主研发的新型压载水处理装置问世[N];科技日报;2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘爽;混合原料厌氧发酵产氢产甲烷技术研究[D];东北农业大学;2013年
2 王立影;烷烃厌氧降解产甲烷体系菌群结构与功能的研究[D];华东理工大学;2011年
3 郑国臣;CSTR和ABR处理有机废水产氢产甲烷特征与效能[D];哈尔滨工业大学;2010年
4 牛坤;Klebsiella pneumoniae ECU-15菌株暗发酵产氢过程分析及其利用木质纤维素水解液的实验研究[D];华东理工大学;2010年
5 李治阳;畜禽废水生物除碳脱氮耦合新工艺及机理研究[D];重庆大学;2012年
6 戚峰;生物质高效水解及发酵产氢的机理研究[D];浙江大学;2007年
7 宗文明;暗—光耦联两步法生物制氢及相关技术的研究[D];安徽农业大学;2009年
8 刘艳;嗜热厌氧梭菌降解纤维素及产氢特性研究[D];山东大学;2008年
9 郭亮;污水厂剩余污泥水解及其厌氧发酵产氢技术研究[D];湖南大学;2009年
10 谢斌飞;淀粉/纤维素类生物质发酵联产氢气和甲烷的机理研究[D];浙江大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张冰;温度降低对产甲烷效能的影响及培养条件优化[D];哈尔滨工业大学;2011年
2 杨丽丽;产甲烷复合菌系的构建与研究[D];中国农业科学院;2010年
3 桂晓伟;玉米秸秆厌氧发酵法生产氢气和甲烷过程的参数优化[D];郑州大学;2011年
4 李建昌;产氢细菌培养及模拟发酵产氢的研究[D];云南师范大学;2003年
5 解明利;电化学辅助微生物厌氧系统产甲烷性能研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
6 宋佳萍;缺氧—厌氧反硝化/产甲烷工艺实验研究与动力学分析[D];太原理工大学;2011年
7 郝小龙;有机废水在UASB反应器中的厌氧发酵产氢的试验研究[D];合肥工业大学;2003年
8 曾召刚;玉米秸秆预处理及对发酵产氢效果影响研究[D];郑州大学;2010年
9 包美丹;细菌混合培养厌氧发酵产氢工艺的研究[D];北京化工大学;2012年
10 张明辉;蓝藻发酵联产氢气和甲烷的机理研究[D];浙江大学;2011年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026