甘蔗压榨汁制氢系统的工程控制对策及其微生物群落研究

【摘要】：人类社会的经济发展、工业进步都离不开能源。化石能源的开发和利用给人类的生存环境及健康都带来了危害,因此,清洁、可再生能源的开发和应用成为当今世界需要迫切解决的问题。氢能作为一种清洁、高效、可持续的能源,被认为是最具发展潜力的新型能源,已逐渐成为能源界关注的热点。生物制氢作为一种可利用生物质进行能源开发和再生的技术具有极大的研究和应用前景。发酵法生物制氢技术的产业化,开发可被微生物高效利用的原料、提高系统的产氢稳定性以及产氢连续性仍是该技术需要解决的关键问题。 本研究建立了以甘蔗压榨汁为产氢基质,以厌氧污泥为产氢菌种的厌氧发酵生物制氢系统。对影响发酵系统产氢效能的一系列生态因子进行调控,优化工程控制参数,针对提高该系统的产氢能力,进行了深入的研究。运用分子生物学手段,对发酵产氢系统的微生物群落动态进行了监测分析。 在厌氧发酵生物制氢过程中,反应器启动困难是其工程应用的制约因素,本文分别对启动容积负荷和污泥预处理对反应器启动的影响进行了探讨。实验结果表明,初始容积负荷的高低对生物制氢反应器的启动具有决定性作用,以6.0kgCOD/m3·d为初始容积负荷进行启动时形成了丁酸型发酵类型。启动初期的有机负荷不易过高,否则,系统的pH值在启动初期会急剧下降,造成反应系统的过度酸化状态,最终导致反应器启动的失败。好氧污泥和加热预处理污泥都可用于生物制氢反应器的种泥。以好氧污泥进行启动时,在启动25d后,乙酸与丁酸占总量的百分数在72%～83%之间波动,逐渐形成以丁酸和乙酸为主要发酵产物的丁酸型发酵。产氢速率最大值为8.04 L/d。在以加热预处理污泥进行启动时,到20d之后形成乙醇与乙酸含量超过80%的乙醇型发酵类型,最高产氢速率为16.11 L/d。启动实验结果表明,污泥的种类和预处理形式是某一发酵类型形成的关键因子,乙醇型发酵类型相对于丁酸型发酵而言,生物气产量及产氢量都相对较高,从而说明微生物对于环境条件的改变,尤其是有机负荷的提高具有较好的适应能能力,进而说明乙醇型发酵系统具有更好的产氢稳定性。 在生物制氢反应器中,提高容积负荷在一定程度上能够提高系统的产气产氢速率,但是当容积负荷超过系统的承载能力时,部分微生物会由于生境的变化较大而被淘汰出反应器,导致系统的COD去除率下降和产气产氢速率的大幅下降,最终致使作为生物制氢的反应系统的崩溃。金属元素在微生物生命活动中具有重要的作用,向连续流发酵产氢系统中投加适量的Fe2+和Mg2+有助于加快系统的产氢速率。 对于乙醇型发酵反应系统,当容积负荷提升至超过系统产氢效能承载后,系统产氢行为几乎停滞,如果能够及时调整降低进水的有机负荷,生物制氢系统可以恢复产氢行为。对产氢产酸发酵系统中丁酸型发酵系统的实验研究表明,稳定运行的容积负荷不易高于20kgCOD/m3·d。甘蔗渣制氢间歇实验中,在初始pH值为8.5时,获得最大累积产氢量,当发酵温度为35℃时,呈现最佳发酵产氢效果。 对反应器在启动期的运行特性进行分析,在启动期各种挥发酸的含量都较高,呈现混合酸发酵,初始生物量较低,随着反应器的运行逐渐增加并稳定。乙醇型发酵产氢系统与丁酸型发酵产氢系统比较,在运行稳定性和平均产氢能力方面乙醇型发酵产氢系统表现更好,在工程控制方面乙醇型发酵优于丁酸型发酵,因此通过参数的调控形成特定的乙醇型发酵类型有利于提高系统的产氢效能。对乙醇型发酵的微生物菌群进行动态分析,活性污泥中的优势菌以梭菌和产乙醇杆菌为主。