连续流厌氧发酵制氢反应系统的建立及稳定运行

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随着社会的发展,能源日益紧缺。氢气作为新能源成为替代传统能源的选择之一。现代工业的发展和科学技术的进步不仅给人类社会创造了辉煌的文明和巨大的物质财富,同时也给人类的生存环境带来了诸多问题。发酵法生物制氢技术利用生物质为原料生产氢气,满足可持续发展战略的要求,是一种解决环境污染和能源需求问题的重要途径,具有广阔的应用前景,已成为世界各国研究开发的高新技术。对于目前生物制氢技术的现状,研究和开发稳定、高效、易于调控的工艺形式,对加速发酵法生物制氢工艺的产业化有着重要的推动作用。发酵法生物制氢中根据末端发酵产物不同将发酵类型分为丁酸型发酵、丙酸型发酵和乙醇型发酵。乙醇和乙酸是乙醇型发酵的主要末端发酵产物,氢气含量和产气量都高于其他两种发酵类型,运行稳定性也相对较高,因此乙醇型发酵是发酵法生物制氢的最佳发酵类型。本实验以糖蜜废水为发酵底物,在理论分析的基础上,运用连续流生物制氢反应器(CSTR)的运行,对发酵生物制氢法最佳发酵类型—乙醇型发酵的系统建立进行生物制氢试验。并以提高有机负荷的方式考察了系统的稳定性。生物制氢反应器的启动可以通过控制有机负荷(OLR)为主,以pH值监测和调节为辅助的手段获得预期的目的发酵类型。CSTR反应器工程控制参数为:温度为(35±1)℃,水力停留时间(HRT)为6 h,考察CSTR反应器的进水COD浓度在2000~8000 mg/L范围内变化对系统产氢效能的影响。在液相末端产物中,乙醇和乙酸为主要的代谢产物,占液相产物总量的82%,为乙醇型发酵。液相末端发酵产物主要为乙醇、乙酸,实现了生物制氢法乙醇型发酵的快速启动。试验证明,当CSTR反应器在进水COD浓度2000~8000 mg/L变化,即OLR=8~32kg/(m3·d),系统产氢效率和生物量随着进水浓度的提高而增加,并在进水COD为6000mg/L时,得到最大产气量和产氢量分别为23.49 L/d和8.19 L/d。然而,当进水COD浓度升高到8000 mg/L后,生物量和产氢量呈下降趋势,这表明产氢污泥的形成在高浓度底物下可能受到抑制。系统中的产酸发酵类型由乙醇型发酵变为混合酸发酵。发酵气体中H:含量并没有随着进水浓度的变化而出现明显差异,这反映出CSTR反应器是一个相对稳定的制氢系统。
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