新型复合式厌氧折流板生物制氢反应器的启动与运行

发布时间：2020-11-11 16:49

　　 随着社会的不断进步与发展,能源匮乏和环境污染问题日益严重,因此,清洁能源的开发与应用是大势所趋。氢能是理想的清洁能源之一,已广泛引起人们的重视。氢气燃烧后只有水,并且具有可再生、燃烧热值高、容易运输的特性。通过厌氧发酵生物制氢,以有机废水作为底物进行产氢,在处理废水的同时生产清洁能源。 本文以复合式厌氧折流板反应器(HABR)作为生物制氢反应器,以人工配制的赤砂糖废水为底物,采用混合培养的好氧污泥作为接种污泥,探讨了HABR新型生物制氢反应器的启动、运行以及乙醇型发酵形成途径。研究结果表明,以“混合培养和生物膜”一体化的HABR作为新型乙醇型发酵生物制氢系统是可行的。HABR系统在温度35℃、水力停留时间(HRT)为12h,初始OLR为2.5kg/m3·d,分阶段提高进水OLR(至4.5kg/m3·d)的方式下,在20d内经过驯化可使5个格室均形成乙醇型发酵类型,稳定运行15d,启动成功。但是检测到每个格室的产氢能力差异明显,因为进入每个格室的废水状态不同,相当于每个格室在不同条件下(OLR、pH值等)启动,因此各格室虽然都形成了乙醇型发酵体系,所以表现出不同的产氢能力。随后提高OLR(6.5kg/m3·d、8.5kg/m3·d)进行HABR的产氢运行,结果表明OLR为6.5kg/m3·d左右时效果最佳,去除率达到43.34%,平均产氢量达到14.91L/d,平均产能量为3340.62KJ/d。在不同OLR条件下系统产生氢气与乙醇速率的线性关系可表示为y(氢)=0.31x(乙醇)-0.1335(R2=0.9235)。当OLR为8.5kg/m3·d左右时,过高的OLR和过低的pH值成为反应器的限制因素,在后续研究中可考虑添加适应的盐类来中和过多的有机酸,使系统可持续运行。 HABR反应器结构没有设置搅拌装置,其格室内部底物废水与微生物的混合完全依靠上升水流的冲击与污泥的沉降,因此,水力停留时间(HRT)对HABR制氢系统运行效果的影响十分重要。实验设计了HRT为36、24、16、12、8h的5个HRT时间,各运行30d,结果表明：随着HRT由36h降低到12h,产氢速率随着升高,当HRT进一步缩短至8h时,产氢量迅速下降,乙醇型发酵稳定性降低,因此此次实验中HRT为12h时运行效果最佳,该HRT条件下稳定运行阶段平均产氢速率达到13.86mmol/h·L,5个格室的pH值在4.22-4.47之间,能源生产平均量达到11.11kJ/h·L。主要液相产物为乙醇和乙酸,第一至第五格室的两者的比值分别为1.90、1.94、1.80、1.77、1.91,比值越大乙醇相对乙酸的产量越高,表示乙醇型发酵程度越高。不同HRT条件下产生氢气与乙醇速率的线性关系可表示为y(氢)=1.2883x(乙醇)+7.1739(R2=0.8566)。 此外,连续流搅拌槽式反应器(CSTR)是目前生物制氢研究中应用最多的反应器,因此,本文对比研究HABR与CSTR两种类型反应器制氢系统的运行效果。首先在启动方面,CSTR反应器所用时间较短,可在30d内达到启动成功并稳定运行,而HABR反应器结构复杂容积大,完全启动成功达到稳定运行需要43d。因此,反应器的类型不是制约发酸类型形成的决定性因素,但是能够影响发酵类型的形成过程。启动成功后,研究了不同COD (4000、6000、8000mg/L)条件下两种类型反应器的运行效果,结果表明HABR反应器的产氢效能、产能效能以及COD去除率随COD的提高而上升,在COD为8000mg/L时分别达到了17.54mmol/h-L、45.13kJ/h·L、42.87%。CSTR系统受有机负荷限制明显,在COD为6000mg/L时效果最佳,产氢效能、产能效能、生物量以及COD去除率平均分别为13.26mmol/h·L、33.00kJ/h·L、26.47%。在低有机负荷条件下,CSTR产氢系统的含氢量较高,而HABR产氢系统在高有机负荷的条件下更具优势。
【学位单位】：东北林业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：S216
【部分图文】：

2.1.2污泥驯化曝气预处理装置污泥驯化曝气预处理装置如图2-2所示，装置材质为有机玻璃，主体为直径为20 cm高为90 cm的圆柱体，底部为圆椎形，将曝气的探头伸入装置圆椎形底部，有利于污泥曝气充分，减少爆气死区。同时有加热温控装置调节反应器温度保持在35±rc。-18-

Cn (当n=0时）为进水浓度，mg/L。从图3-3中可以看出，启动前几天，COD去除率非常低，有两方面的原因：一方面是由于不能够适应厌氧环境的一些微生物死亡，残体留在液相产物中，增加了出水COD，导致出水COD浓度高；另一方面是由于一些兼性厌氧和能够产生芽孢的绝对厌氧微生物处在恢复期，不能够有效进行生长代谢活动消耗COD所致。运行5、6d后，各格室COD去除率趋于稳定，可以发现整个HABR反应器的总体去除率在启动第一阶段呈现出曲折上升的状态

Fig.3-4 The variation of liquid fermentation products of each compartment of HABR由图3-4可知，各格室在启动期（l~34d)都表现出波动式升高的趋势，启动过程采用有机负荷分阶段提高的方式，在第15 d时，将OLR由2.5 kgW-d提高到4.5 kgW-do在反应的启动初期(l~14d)，第一格室乙醇和乙酸产量缓慢提高，乙醇和乙酸所占的比例却有下降的趋势，说明该格室所产生的液相末端产物中其他成分产量较多，有不利于乙醇型发酵形成的趋势，而在提高有机负荷之后(15?34 d)
【参考文献】

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1 任南琪,李永峰,郑国香,林海龙,张蕊;生物制氢:Ⅰ.理论研究进展[J];地球科学进展;2004年S1期

2 李永峰,任南琪,丁杰,林海龙,郑国香,崔有贵;生物制氢:Ⅱ.工程应用问题[J];地球科学进展;2004年S1期

3 张磊;郎建峰;牛姗姗;;生物膜法在污水处理中的研究进展[J];水科学与工程技术;2010年05期

4 任南琪,陈小蕾,赵丹;Control of fermentation types in continuous-flow acidogenic reactors:effects of pH and redox potential[J];Journal of Harbin Institute of Technology;2001年02期

5 刘晓烨;庄蓓岚;宋倩雯;杨睿;韩伟;李永峰;;厌氧发酵产氢污泥的驯化技术[J];化工进展;2009年S1期

6 赵丹,王承武,沈濯良,王惠民;厌氧折流板反应器(ABR)的水动力学及污泥特性[J];环境工程;2001年02期

7 李秋波;邢德峰;任南琪;赵丽华;宋业颖;;C/N比对嗜酸细菌X-29产氢能力及其酶活性的影响[J];环境科学;2006年04期

8 鲍立新;李建政;昌盛;黄晓飞;任南琪;;ABR处理大豆蛋白废水的效能及微生物群落动态分析[J];环境科学;2008年08期

9 李玉友;褚春凤;堆洋平;;厌氧发酵生物制氢微生物及工艺开发的研究进展[J];环境科学学报;2009年08期

10 李建政;蒋凡;郑国臣;;ABR发酵产氢系统的控制运行及产氢效能[J];环境科学学报;2010年01期

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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

本文编号：2879465