新型复合式厌氧折流板生物制氢反应器的启动与运行

【摘要】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。
【作者】刘晓烨；
【导师】李永峰；
【作者基本信息】东北林业大学，生态学，2014，博士
【关键词】生物制氢；HABR；产氢效能；

【参考文献】
[1]余燕.中小板上市企业成长性和价值创造能力提升研究[D].新疆财经大学,企业管理,2013,硕士.
[2]姚万媛.论我国罢免制度的完善[D].湖北大学,宪法与行政法学,2011,硕士.
[3]孔祥露.中国传统文化教材中的成语考察及教学对策[D].沈阳师范大学,汉语国际教育,2014,硕士.
[4]韩旭.氧化锰/碳复合微纳材料的可控制备[D].沈阳工业大学,2014.
[5]杨涛.政府间转移支付对中国省级区域经济增长的影响效应研究[D].南昌大学,数量经济学,2014,硕士.
[6]丁宏元,宋国文,陈显治.离散余弦变换系数矩阵自适应分类矢量量化图象编码[J].军事通信技术.1988(04)
[7]宋龙超.基于传输层特征的流量分类方法的研究与实现[D].华南理工大学,软件工程,2012,硕士.
[8]付丽.我国刑法中聚众犯罪处罚差异性研究[D].华侨大学,刑法学,2014,硕士.
[9]许会.安徽省独立学院人才培养质量研究[D].安徽大学,高等教育学,2013,硕士.
[10]李瑞佳.我国国有商业银行门户网站信息服务研究[D].河北大学,图书情报,2014,硕士.
[11]盖文.基地青年科技人才培养资源合理配置方法及应用研究[D].国防科学技术大学,2002.
[12]陈滇怀,王春明.出钢机运行的定位控制[J].一重技术.1997(01)
[13]孙庆玲.外施ABA与低温锻炼下4份狗牙根材料生理生化响应研究[D].新疆农业大学,草业科学,2012,硕士.
[14]郭崇颖.泥水平衡全断面掘进机注浆过程的仿真研究[D].东北大学,机械制造及其自动化,2011,硕士.
[15]刘佳.从关联理论的角度研究官方记者招待会汉英交替传译[D].外交学院,翻译,2014,硕士.
[16]李亚琴.右美托咪定对鼻内窥镜手术患者全麻苏醒质量的影响[D].广西医科大学,麻醉学（专业学位）,2013,硕士.
[17].之江青年学者:王俊[J].浙江社会科学,2014,04:2.
[18]赵晶.温度和光照对两种栎属植物幼苗叶形态与结构性状的影响[D].山东大学,植物学,2013,硕士.
[19]车宇清,杨江涛.碳钢炼钢过程计算机控制及应用[J].冶金自动化,2007,01:35-38+46.
[20]马亦乐.我国假释制度若干问题之研究[D].苏州大学,法律（专业学位）,2012,硕士.
[21]陈四.GFRP连续配筋混凝土路面设计指标研究[D].湖北工业大学,桥梁与隧道工程,2014,硕士.
[22]丁琼.职工薪酬优化设计及会计核算研究[D].长安大学,会计学,2013,硕士.
[23]孙恩茂,王玉彬,李龙珍.铁水脱硫在鞍钢的生产及应用[J].钢铁.2003(04)
[24]许峰.固相法合成含N、S典型导电聚合物复合材料及其性能研究[D].新疆大学,化学,2013,硕士.
[25]陈怀章.实现像素级光强调制的微镜阵列控制方法研究[D].中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所),机械工程,2013,硕士.
[26]谢小庆.家居产品的幽默性设计研究[D].北方工业大学,设计艺术学,2013,硕士.
[27]胡杨.巴陵石化人力资源开发利用及管理对策研究[D].湖南大学,2001.
[28]谭力,俞腾,刘枝辰.基于原始-对偶内点法的无线传感网平均数据流最优传输研究[J].科技视界,2013,02:117-118.
[29]陶洪峰,陈大朋,杨慧中.基于扩展滤波器的非线性系统迭代学习故障诊断算法[J].控制与决策,2015,06:1027-1032.
[30]马亚伦　王本伦樊文伟.潜江国际甲壳素会议成果丰硕[N].湖北日报,2010-11-09015.
[31]吴海龙.自行式双锤头路面破碎机的总体设计[D].长安大学,机械电子工程,2014,硕士.
[32]卢淼,刘建允,程健,王世平,杨健茂.功能化石墨烯/活性炭复合电极及不对称电容器脱盐[J].物理化学学报,2014,12:2263-2271.
[33]李莉华.论《红色英勇勋章》的印象主义写作手法[D].江西师范大学,英语语言文学,2004,硕士.
[34]肖群娥.滚筒式露天采煤机智能化控制系统设计[D].河北科技大学,机械工程,2013,硕士.
[35]孙双武,罗新红,祝石宝.依据高考新理念精设专题紧扣考点新变化有效复习(四)[J].试题与研究,2011,08:46-56.
[36]高昕星.基于人脸识别的身份认证系统的设计与分析[D].内蒙古大学,电子与通信工程,2014,硕士.
[37]孙丽.氩弧焊机控制器恒流控制的研究[D].江苏科技大学,信号与信息处理,2013,硕士.
[38]许朝娜.中职语文文学经典作品教学研究[D].杭州师范大学,学科教学（专业学位）,2011,硕士.
[39]赵承勇.山西省高职院校健美操运动开展现状及对策研究[D].河北师范大学,体育教育训练学,2012,硕士.
[40]殷洪艳.微信用户的“使用与满足”研究[D].郑州大学,新闻与传播（专业学位）,2013,硕士.
[41]黄橙.我国碳交易的法律监管问题研究[D].中国政法大学,经济法,2014,硕士.
[42]周有德,张艳允,刘竞陵.长寿高炉炉缸的设计与实践[J].钢铁.2002(11)
[43]马宝良.蒙古族高中学生的汉语能力对其英语学习效果影响的调查研究[D].内蒙古师范大学,学科教学,2012,硕士.
[44]高尚.基于dsPIC30F6011A运动轨迹记录系统[D].西南交通大学,材料加工工程,2013,硕士.
[45]杨蓓,黄厚宽.挖掘数据流界标窗口Top-K频繁项集[J].计算机研究与发展,2010,03:463-473.
[46]王闻硕.石墨烯与金属纳米结构相互作用的研究[D].北京交通大学,2014.
[47]连子尧.畜产养殖废水与玉米秸秆联合厌氧发酵的实验研究[D].中国地质大学（北京）,环境科学与工程,2014,硕士.
[48]黄圣.中国市政债券模式及运行制度研究[D].财政部财政科学研究所,财政学,2014,博士.
[49]计青山,郝鸿雁,张存喜,王瑞.硅烯中受电场调控的体能隙和朗道能级[J].物理学报,2015,08:313-321.
[50]马超.张闻天对新中国国际问题研究的开拓及其启示[D].天津商业大学,马克思主义中国化研究,2013,硕士.