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生物制氢作为较为常见的一种清洁型制氢方式,主要包括暗发酵生物制氢、光发酵制氢和暗/光联合生物制氢等方式。将暗发酵制氢后的尾液用于光发酵生物制氢则会进一步提高产氢效率,因此,连续流暗/光生物制氢过程强化与装置研究具有重要的学术和实践意义。为了研究暗发酵、光发酵、暗/光联合等多模式下的生物制氢,利用计算流体力学软件FLUENT分别对暗发酵和光发酵反应器内制氢过程流场进行了模拟计算,揭示了制氢装置产氢过程中流场的变化规律;设计并搭建了连续流暗/光多模式生物制氢试验装置,通过太阳能聚集器和光导纤维等为生物制氢装置提供光源,通过太阳能光伏发电为生物制氢装置提供备用电源,降低了生物制氢过程中的能耗;采用光谱耦合技术和光导纤维多点布光技术,提高了太阳光传输与光照利用率;研究了水力滞留时间、底物浓度和有机负荷率对暗发酵制氢、光发酵制氢生物制氢的气体特性和液体特性的影响规律,分析了产氢过程中的稳态质量平衡,提高了制氢装置的运行效率;研究了暗/光联合生物制氢的产氢特性,提高了产氢底物的转化率。论文的研究结果为连续流暗/光生物制氢技术的发展提供了理论和技术支持。结论如下:(1)利用计算流体力学软件对暗发酵和光发酵生物制氢反应器中的流场进行了模拟计算。随着菌种和产氢基质进入暗发酵反应室和光发酵反应室,反应室中逐渐形成了清晰的速度流场,并最终趋于稳定。随着水力滞留时间从48 h降低为24 h时,暗发酵反应室中的速度流场不断增强,涡流增多,而当水力滞留时间进一步缩短为12 h时,反应室中的速度流场和涡流逐渐减弱,涡流的增强对提高产氢速率有积极的作用。光发酵4个反应室中的速度云图没有显著的差异,每个反应室具有一个大的涡流,但是随着水力滞留时间由72 h变为24 h,反应室内反应液速度不断变快。在暗发酵反应室中,水力滞留时间为24 h时获得较为明显的涡流;在光发酵反应室中,水力滞留时间的变化没有对制氢装置形成明显的影响。(2)设计建造了一个折流板式的连续流暗/光多模式生物制氢试验装置。制氢装置主要包括1个有效体积为3m3的3个串联反应室的暗发酵反应器和2个有效体积为4m3的4个串联反应室的光发酵反应器。制氢装置使用太阳能为提供制氢过程中需要的保温、光照、电力支持等要求。制氢装置安装有自动控制和检测系统,能够实现制氢过程中装置的进料、搅拌和数据检测等功能,具有稳定的产氢性能。(3)研究了水力滞留时间和底物浓度对连续流暗发酵生物制氢的影响。随着水力滞留时间从48 h减小为12 h,生物制氢装置产氢速率呈现先增大后减小的趋势,当水力滞留时间为24 h时达到最大产氢速率为40.45 mol m-3 d-1,合理控制水力滞留时间可以提高连续流生物制氢的产氢性能。设定最佳水力滞留时间为24 h后,研究了底物浓度(10-40 g L-1)对暗发酵生物制氢的影响,当底物浓度为10-30 g L-1时,产氢速率随着底物浓度的增加而增加,当底物浓度增加到40 g L-1时产氢速率开始下降;当底物浓度为30 g L-1时分别得到最大的产氢速率100.16 mol m-3d-1。各反应室的发酵成分、pH值、氧化还原电位和产氢速率随着水力滞留时间和底物浓度的变化都有显著的差异。(4)研究了水力滞留时间和底物浓度对连续流光发酵生物制氢的影响。当水力滞留期从72 h降为48 h时,光合生物制氢装置的产氢速率从64.29 mol m-3 d-1增长为83.48 mol m-3 d-1当水力滞留期缩短为24 h时,得到最大产氢速率104.91 mol m-3 d-1,此时氢气浓度为43.44%-46.98%;当水力滞留期为72h时,得到最大的产氢速率为#1号反应室的181.25 mol m-3 d-1,此时氢气浓度为49.47±0.37%;当水力滞留期为24 h时,光合生物制氢装置产氢速率随着底物浓度增加呈现先增大后减小的趋势。随着有机负荷率的增大,光合生物制氢装置的产氢速率先增大后减小,产氢量则逐渐变小。当有机负荷率为3.3 g L-1 d-1(水力滞留期为72 h,底物浓度为10 g L-1)时,光合生物制氢装置得到最小产氢速率64.13 ±4.58 mol m-3 d-1,此时却得到最大产氢量为19.43±1.39 mmol g-1;当有机负荷率为20 gL-1d-1((水力滞留期为24 h,底物浓度为20 g L-1)时,光合生物制氢装置得到最大产氢速率148.65±4.19mol m-3 d-1。(5)研究了连续流暗/光联合生物制氢过程中不同反应室之间的变化。暗发酵的产氢速率为40.45 mol m-3d-1,氧化还原电位维持在-380 mV-439 mV,生物量浓度维持在1.25g L-1-1.52 g L-1,产氢后的乙酸和丁酸浓度分为45.83 mM和15.00 mM。在初始乙酸和丁酸浓度分别为34.37 mM和11.25 mM条件下,光发酵的产氢速率为24.34mol m-3d-1,氧化还原电位维持在-420 mV--455 mV,生物量浓度维持在1.26 g L-1-1.41 g L-1,产氢结束后乙酸和丁酸的去除率分别达到85.10%和93.16%。