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糖蜜废水制氢系统的调控及其生物强化

郭子瑞  
【摘要】:人类文明的延续和进步都离不开资源和能源。如今,资源和能源的匮乏已成为国际社会亟待解决的核心问题。氢气是可以替代化石燃料的可再生能源之一,已经逐渐为世界各国所关注。生物制氢的最佳效能就是清洁环境和回收资源。 水力停留时间(HRT)是影响厌氧发酵制氢工艺效果的一个重要参数,本文考察HRT在2-12 h范围内变化对CSTR产氢效率的影响。研究表明,在HRT从12 h到8h递减时,氢气的产量逐渐上升;在HRT为8h的时候,最大产氢值达到7.92 L/d,TSDE为95%,COD去除率达到25%。在这个停留时间不仅满足微生物新陈代谢的需要,而且也同样可以确保生物连续产氢的能力。且此时,系统中的主要代谢发酵类型为乙醇型发酵。液相末端发酵产物的总产量达到2986 mg/L,所有的代谢产物中,乙醇和乙酸之和在末端产物中所占的比例为85%。 在HRT从12 h降低到10 h的时候,反应器中的生物量出现明显的上升。当HRT为10h时,生物量维持在12.8gVSS/L。在HRT为8h时,反应器中的生物量和生物活性达到最高。此时,反应器的产氢效果较好。因此,厌氧发酵产氢系统高效制氢的关键是保持反应系统具有较多的微生物量和较高的微生物活性。系统内的发酵污泥会受到厌氧活性污泥微生物群落代谢的影响。 在HRT为8h的情况下,通过逐渐提高COD(从2000 mg/L至10000 mg/L)来提高系统中的有机负荷(OLR),OLR的增加在一定程度上能有效地提高厌氧活性污泥发酵产氢系统的产氢能力。产氢系统在有机负荷为18 kg/(m3·-d)的条件下,达到稳态的平均产氢量为7.92 L/d,比OLR 12 kg/(m3.d)条件下(5.94 L/d)提高了25%,比OLR 6kg/(m3·d)条件下(3.78 L/d)提高了52.3%。 然而,OLR的提高对厌氧活性污泥发酵产氢系统造成的影响是有限度的。而这种限度的范围并不大。在本实验中,当OLR升至到24 kg/(m3·d)的情况下,厌氧活性污泥发酵产氢系统的pH很快下降下来。此时,pH小于4,ORP很快上升,超过-230 mV,厌氧活性污泥的活性受到严重抑制,其内的微生物不能适应有机负荷升高引起的环境变化。在这种情况下,反应器的有机废水产酸发酵类型发生了明显的变化,产氢能力立即下降。 发酵法生物制氢技术实现工业化生产的关键在于增加产氢能力和减少制氢成本。近年来,用于提升废水处理效能的一项新技术出现了,它便是生物强化技术。 研究表明,控制COD为6000 mg/L,HRT为8h,在CSTR反应器运行21天达到稳定运行后,将R3菌投入反应器,此反应器总共运行30天,分别在第8天、第12天和第21天进行生物强化。产氢菌投加量(占活性污泥MLVSS的质量分数)分别为1.2%、3.7%、4.9%。经过生物强化后的系统pH在典型的乙醇发酵区间,生物制氢反应器(CSTR)可以利用生物强化作用,使发酵类型向产氢力较高的乙醇型发酵转变。 生物制氢系统运行初期的比产氢速率可以通过高效产氢菌的生物强化作用得到显著提高。生物制氢系统的比产氢速率在3次生物强化后从3.5 mmol/(kg·d)提高到5.2mmol/(kg·d)。


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