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污水厂剩余污泥水解酸化液发酵产氢试验研究

黄惠莹  
【摘要】:发酵法生物制氢是利用产氢发酵细菌根据自身的生理代谢特性,通过发酵作用,逐步分解有机底物并产生分子氢的过程。与光合法生物制氢相比,其具有稳定性好、产氢能力高、发酵细菌生长速率快、运行成本低等特点,具有广阔的应用前景。城市污水处理厂剩余污泥经过水解酸化后产生的发酵液中含有大量的短链脂肪酸(以乙酸、丙酸、丁酸、戊酸为主),可被产氢产乙酸菌直接利用,进一步转化为H_2、CO_2和乙酸等物质,实现能源的再生利用。因此,利用剩余污泥水解酸化液进行厌氧发酵产氢研究对污泥处理有着重要的意义。目前国内外学者开展了利用剩余污泥产氢的研究,取得了一定的成果。本试验通过对厌氧颗粒污泥进行微波处理,筛选出产氢能力较强的菌种,以葡萄糖为底物驯化得到具有产氢能力的颗粒污泥,通过改变生长条件(接种量、碳氮比、磷酸盐浓度、初始pH、有机负荷等)研究了厌氧颗粒污泥制氢的最佳运行条件。在此基础上,以污水厂剩余污泥厌氧发酵水解酸化液作为制氢碳源,探讨其作为底物时的产氢效能。 在静态条件下研究了微波处理时间长短对厌氧颗粒污泥产氢效能的影响。结果表明:厌氧颗粒污泥微波处理最佳处理时间为6min,此时其比产氢速率最高,达到8.03mmolH_2/(gCOD·d),氢气含量为57.7%。经过微波处理后,以人工葡萄糖配水为底物,驯化出产氢性能稳定的颗粒污泥,反应系统的pH值稳定在4.5左右,COD去除率约为40%,颗粒污泥VSS/SS为83.0%,沉降速率为23.5m/h。 在微波处理时间为6min的条件下,以人工葡萄糖配水为底物,探讨颗粒污泥的接种量、进水中碳氮比、磷酸盐浓度、初始pH和有机负荷对产氢效能的影响,得出最佳进水与接种污泥体积比例为5:2,最佳进水碳氮比为40,磷酸盐浓度为8mmol/L,最适宜初始pH值为9.0。当进水呈弱碱性时,发酵产氢系统产生的挥发性脂肪酸、CO_2等酸性物质可被系统中的碱度中和,减少了由于末端产物积累而产生的抑制作用,从而获得较高的比产氢速率。当提高有机负荷时,厌氧颗粒污泥表现出较强的耐受性,直到有机负荷提高至90 kgCOD/(m~3·d)时,反应系统才停止产氢。最大产氢量出现在容积负荷为40kgCOD/(m~3·d)时;最大氢气含量出现在容积负荷为60kgCOD/(m~3·d)。 在进水与接种污泥体积比例为5:2的条件下,以污水厂剩余污泥厌氧发酵水解酸化液为底物,考察其作为制氢碳源的可行性及其产氢效能。试验结果表明,剩余污泥水解酸化液用作发酵产氢底物是可行的,但由于剩余污泥水解酸化液中含有部分难降解有机质,产氢系统的COD去除率仅为13.9%,产氢量为61 mL/d,氢气含量为34%,比产氢速率为12mmolH_2/gCOD。剩余污泥水解酸化液中含有的蛋白质被降解产生NH_4~+-N能形成一定的碱度,中和产氢过程中产生的挥发性脂肪酸,从而维持了反应系统中环境的pH值和氧化还原电位的稳定性。在剩余污泥水解酸化液中固有的有机酸胁迫作用下,出水乙酸含量有所提高,产氢量较高。此时,颗粒污泥胞外分泌物较多,优势菌种以短杆菌为主,有少量丝状菌。


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