混合原料厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷技術(shù)研究.pdf

1、厭氧發(fā)酵技術(shù)在處理有機廢棄物的同時獲得氫氣或者甲烷，近年來受到廣泛關(guān)注。氫氣是一種完全清潔的高能燃料，在其燃燒過程只產(chǎn)生水，而且可以直接通過燃料電池轉(zhuǎn)化為電能，具有較高的能量轉(zhuǎn)化效率。甲烷也是一種高能燃料。雖然其燃燒產(chǎn)物為二氧化碳，但由于來自于生物質(zhì)，本質(zhì)上厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷是碳中性的。氫氣和甲烷分別是厭氧發(fā)酵不同階段的產(chǎn)物。本研究的目的是根據(jù)厭氧發(fā)酵的階段性，從有機廢棄物中逐級梯度回收氫和甲烷。為了區(qū)別于傳統(tǒng)的厭氧發(fā)酵技術(shù)，稱之為兩相

2、厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷技術(shù)。兩相厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷技術(shù)不僅在理論上可以獲得更高的能量回收率，而且還提供了厭氧發(fā)酵技術(shù)與燃料電池技術(shù)直接耦合的可能性，對于擴展厭氧發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。
　　 雖然目前很多學(xué)者已經(jīng)開展了針對兩相厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷的研究，從已有的研究來看，如何在以廉價的有機廢棄物作為原料時實現(xiàn)穩(wěn)定高效產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷的問題仍然沒能得到很好的解決。另外關(guān)于兩相厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷技術(shù)的動力學(xué)及兩相各自的優(yōu)勢菌群的分析也非

3、常缺乏，有待于深入研究。
　　 本論文在深入了解牛糞、豬糞、餐廚廢棄物、馬鈴薯渣等4種原料單獨厭氧發(fā)酵的特性及其產(chǎn)甲烷潛力的基礎(chǔ)上，采用混料試驗設(shè)計探討原料組成對產(chǎn)氫性能的影響，并確定適宜的原料組成。采用單因素試驗分別探討原料的混合比例、原料的濃度和水力停留時間對厭氧產(chǎn)氫發(fā)酵過程的影響機制，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用響應(yīng)曲面法確定了最優(yōu)的因素水平組合。分析最優(yōu)條件下產(chǎn)氫過程潛在的抑制物，并探討系統(tǒng)對不同抑制物的耐受限度。在不同的有機負(fù)荷率

4、條件下，對單相產(chǎn)甲烷系統(tǒng)和兩相產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷系統(tǒng)在產(chǎn)氣、原料轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定性等方面性能進(jìn)行綜合對比，并從動力學(xué)和分子生態(tài)學(xué)角度對單相系統(tǒng)和兩相系統(tǒng)的差異進(jìn)行了解析。獲得的研究成果如下:
　　 1)牛糞、豬糞、餐廚廢棄物和馬鈴薯渣的VS產(chǎn)甲烷率分別為266.63、363.00、517.11和438.33mL/g。餐廚廢棄物和馬鈴薯渣具有產(chǎn)氣速度較快、發(fā)酵過程中易酸化的共性，而牛糞和豬糞具有產(chǎn)氣速率平緩，發(fā)酵過程中pH穩(wěn)定的共性。性質(zhì)相近的

5、原料在混合發(fā)酵產(chǎn)氫過程中表現(xiàn)出拮抗作用，性質(zhì)相悖的原料表現(xiàn)出明顯的協(xié)同作用，產(chǎn)氫率和原料降解率都比單一原料有較大提升。經(jīng)優(yōu)化得到厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的最佳原料組成為餐廚廢棄物:馬鈴薯渣∶豬糞∶牛糞為53.58∶0∶46.42∶0，此時VS產(chǎn)氫率為26.28 mL/g、VS降解率為27.60％、最終pH為5.26。
　　 2)在確定牛糞和餐廚廢棄物比較適宜進(jìn)行混合產(chǎn)氫發(fā)酵基礎(chǔ)上，分別探討牛糞和餐廚廢棄物的混合比例、原料的濃度和水力停留時間

6、對厭氧產(chǎn)氫發(fā)酵過程的影響規(guī)律，在單因素試驗的基礎(chǔ)上應(yīng)用響應(yīng)曲面法中的Box-Behnken設(shè)計分析上述三因素對容積產(chǎn)氫率、VS產(chǎn)氫率、VS降解率、pH和穩(wěn)定性的交互作用，通過回歸分析建立了上述指標(biāo)關(guān)于三因素的二次模型，并對因素的水平組合進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，最終確定最優(yōu)的工藝參數(shù)如下:混合比例為50％、原料濃度為80g/L、水力停留時間為2d。在最優(yōu)條件下，容積產(chǎn)氫率、VS產(chǎn)氫率、VS降解率、pH和穩(wěn)定性分別為1.09 L/(L.d)、30.

7、22mL/g、25.85％、5.21和0.62。
　　 3)確定了牛糞和餐廚廢棄物混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的潛在抑制物是油脂、氯化鈉、乳酸和氨。乳酸對產(chǎn)氫過程的抑制最為強烈，當(dāng)乳酸濃度為2g/L時，產(chǎn)氫很快停止，VS降解率也快速下降。最終pH降至4.0,VS降解率僅為10％。在濃度較低時油脂、氯化鈉和氨都對產(chǎn)氫有促進(jìn)作用，高濃度時則抑制產(chǎn)氫。油脂、氯化鈉和氨對產(chǎn)氫的抑制濃度分別為16g/L、9g/L和2.58 g/L。
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8、)對不同的有機負(fù)荷率，對單相產(chǎn)甲烷系統(tǒng)和兩相產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷系統(tǒng)在產(chǎn)氣、原料轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定性等方面性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明兩相厭氧產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷系統(tǒng)能承受的最大有機負(fù)荷率高于單相產(chǎn)甲烷系統(tǒng)，具有比單相系統(tǒng)更高的容積產(chǎn)甲烷率和VS降解率，但單相系統(tǒng)具有更高的能量回收率。單相系統(tǒng)所能承受的最大有機負(fù)荷率為5.6g/(L.d)，此時容積產(chǎn)甲烷率最高，為1.57 L/(Ld),平均VS產(chǎn)甲烷率和VS降解率分別為290.79 mL/g和45.27％，系統(tǒng)的能量

9、回收率為41.77％。兩相系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷相所能承受的最大有機負(fù)荷率為9 g/(L.d)。最高的容積產(chǎn)甲烷率為1.85 L/(L.d)，出現(xiàn)在水力停留時間為10d、有機負(fù)荷率為7.2 g/(L.d)時。此時平均VS產(chǎn)甲烷率、系統(tǒng)總VS降解率分別為256.28mL/g和51.76％，系統(tǒng)能量回收率為38.19％。
　　 5)基于Contois方程和Chen-Hashimoto方程，建立了描述水力停留時間對出料濃度影響的動力學(xué)模型。單相

10、系統(tǒng)和兩相系統(tǒng)的動力學(xué)參數(shù)μm值分別為0.167和0.293，K值分別為0.204、和0.403，R值分別為0.465和0.409。兩相系統(tǒng)的μm和K均大于單相系統(tǒng)，說明兩相系統(tǒng)微生物的比生長速率高于單相系統(tǒng);兩相系統(tǒng)的R小于單相系統(tǒng)，表明兩相系統(tǒng)對原料的降解能力也高于單相系統(tǒng)。經(jīng)檢驗，模型可以很好的對不同水力停留時間下的出料濃度進(jìn)行預(yù)測。
　　 6)采用PCR-DGGE技術(shù)和掃描電鏡技術(shù)對不同有機負(fù)荷率下單相系統(tǒng)和兩相系統(tǒng)微生

11、物的群落結(jié)構(gòu)及動態(tài)進(jìn)行了解析。結(jié)果表明，產(chǎn)氫相的微生物群落結(jié)構(gòu)較為簡單，優(yōu)勢菌群為蛋白溶解梭菌（Clostridium proteoclasticum）、門多薩假單胞菌(Pseudomonas mendocina)、Olsenella屬菌、同型產(chǎn)乙酸菌(Acetobacterium sp)和未培養(yǎng)的瘤胃微生物。單相系統(tǒng)和兩相系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷相微生物群落的演替規(guī)律相似，在穩(wěn)定運行期二者的微生物多樣性都很高，優(yōu)勢菌為甲烷鬃毛菌（Methanos