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甜高粱压榨汁CSTR生物制氢系统的研究

冷岳阳  
【摘要】:随着经济的快速发展,能源之争已经成为全球政治经济的焦点问题,探索、开发、使用新能源越来越受到世界各国政府的关注。为了应对化石能源价格上涨以及减缓环境压力,氢能作为一种清洁、经济、可规模发展能源在全球复苏,但是如何快速且大量的制备、并且安全的使用氢气是目前氢能普化的最大障碍。氢气的产生来源有五种,分别是:水电解法、热化学法、光电化学法、等离子化学法和生物制氢法。前四种方法各有利弊,制氢方法成本较高,无法成为制氢的主要手段。因此,生物制氢法逐渐步入人们的视野,并且吸引了众多关于其利用开发方面的研究者。生物制氢分为两种,一种是光合合成产氢,另一种是发酵产氢。发酵产氢主要是利用兼性厌氧菌无氧发酵而制得。发酵产氢除了可以稳定制氢外,还有菌种繁殖快,易运输保存,综合成本低的特点,所以发酵产氢有着更好的发展前景。本实验根据厌氧发酵生物制氢的原理,使用CSTR反应器,以甜高粱秸秆压榨汁为底物,以红糖为对照组,探讨甜高粱秸秆压榨汁是否有较优产氢性能。实验初始参数设定为,水力停留时间为6h,温度为(35±1)℃,系统OLR为16kg/(m3.d)。实验结果表明,较高的OLR可以快速进行种群迭代。以甜高粱压榨汁为底物的系统第5d菌群基本筛选完毕,第7d为了促使产乙醇菌恢复活性,将OLR降低至10kg/(m3·d),第13d启动成功,液相产物产量与气相产物产量都趋于稳定状态。乙醇与乙酸占液相末端产物的77%,为典型的乙醇发酵。产气量稳定于3.4L/d,产氢量稳定于1.OL/d,氢气所占比例达到29%左右;而红糖系统在6d种群迭代基本结束,第9d降低OLR至10kg/(m3·d),于第16d启动成功,其发酵类型也为乙醇发酵,产气量为2.7L/d,产氢量为0.7L/d,氢气所占比例为26%。经过对比发现甜高粱压榨汁启动更为快速,分析其原因可能是甜高粱鲜榨汁中所含单糖比重比红糖大,微生物更容易吸收利用。实验初始启动反应器时起用了较高浓度的进水底物,这种做法不仅可以使菌群快速产生大量挥发性有机酸,筛选出耐酸的产乙醇菌,而且在启动中期降低OLR,相当于反复改变环境条件,可以最大限度的激发微生物的环境适应性,增加其缓冲能力,为以后升高OLR、测定其最大产氢能力做准备。反应器启动结束后,将进水底物以增幅量为2000mg/L、每20d增加一次浓度的频率,分为4个阶段由低到高提高其有机负荷,以探讨“含糖污水”(即甜高粱压榨汁)处理浓度最大值,以及甜高粱压榨汁是否有较优产氢性能。经实验发现,在进水底物浓度为6000mg/L时,主要菌群为产乙醇菌,此时COD去除率最高为32%,产氢量最高为5.75L/d。到实验末期,将进水浓度调整至8000mg/L时,系统pH值开始不断上升,说明此时挥发性有机酸大量减少,COD去除率、产氢量、产乙醇量及生物量都逐渐降低,说明过高浓度的底物可能会抑制生物的生长繁殖。而红糖同样有着相似的变化,在进水底物浓度为6000mg/L时,COD去除率最高,达到27%,产氢量最高达到5.02L/d;当进水底物浓度达到8000mg/L时,COD去除率、产氢量亦开始降低。这说明简单糖具有共性,推测如果运用其他简单糖为底物,其最佳进水COD浓度应该也在6000mg/L左右。对比甜高粱与红糖系统可以发现,甜高粱压榨汁产氢效果略优于红糖。且经过反复更改菌群生存环境及菌群筛选,系统中物种较为单一,结构较为简单,所以恢复力稳定性良好,即便环境突然改变,也能迅速恢复到以往状态。但是即便恢复力稳定性良好的产乙醇菌种,在高浓度的进水COD下,也不能恢复到鼎盛状态,以此可见,过高的底物浓度不利于菌群的生化代谢。另外,启动成功后的系统对底物浓度提高所造成的冲击有一定的适应能力,但是当底物浓度超过一定限度后,就可能导致系统的崩溃。


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