接种物预处理对泔脚发酵产氢的强化研究

采用经微波(850 W,4 min)+pH9.0预处理的泔脚为发酵底物,以预处理的城市生活垃圾厌氧消化污泥为接种物,考察了接种物的未预处理、热(80℃,15 min)预处理、热(80℃,15 min)+pH6.0预处理对泔脚中温(36℃)批式发酵产氢的影响.(1)Gompertz模型拟合结果表明:3个预处理方案的泔脚发酵产氢延迟时间λ分别为7.68、5.06、2.04 h,泔脚中挥发性固体最大比产氢率分别为3.05、10.10、9.24 mL/g·h,泔脚中挥发性固体产氢率分别为43.54、167.10、161.93 mL/g,生物气中氢气的最高体积含量分别为18.4%、41.2%、47.2%.结合药剂的费用,热(80℃,15 min)预处理具有更大的产氢优越性.(2)泔脚的发酵产氢过程也是一个酸化过程,发酵产氢结束后,3个预处理方案的发酵产氢余物的pH值在4.70～5.10,pH值均有较大幅度的下降.     

接种物预处理对泔脚发酵产氢的强化研究

采用经微波（850W,4min）＋pH9．0预处理的泔脚为发酵底物,以预处理的城市生活垃圾厌氧消化污泥为接种物,考察了接种物的未预处理、热（80℃,15min）预处理、热（80℃,15min）＋pH6．0预处理对泔脚中温（36℃）批式发酵产氢的影响．（1）Gompertz模型拟合结果表明：3个预处理方案的泔脚发酵产氢延迟时间λ分别为7．68、5．06、2．04h,泔脚中挥发性固体最大比产氢率分别为3．05、10．10、9．24mL／g·h,泔脚中挥发性固体产氢率分别为43．54、167．10、161．93mL／g,生物气中氢气的最高体积含量分别为18．4％、41．2％、47．2％．结合药剂的费用,热（80℃,15min）预处理具有更大的产氢优越性．（2）泔脚的发酵产氢过程也是一个酸化过程,发酵产氢结束后,3个预处理方案的发酵产氢余物的pH值在4．70～5．10,pH值均有较大幅度的下降．     

HRT对发酵产氢厌氧活性污泥系统的影响

HRT的改变可对发酵产氢厌氧活性污泥系统产生多方面的影响.在进水COD质量浓度为6 000 mg/L、35℃、不对进水pH值进行调节等条件下,发酵产氢厌氧活性污泥系统HRT从8 h降低为6 h时,其pH值、ALK分别从4.3和250 mg/L降低为4.2和180 mg/L,ORP从-380~-360 mV升高到-330~-300 mV,生物量虽然从8.7 gVSS/L降低到了7.2 gVSS/L,其产氢能力却从0.14 L/(gVSS.d)提高到0.22 L/(gVSS.d),液相末端发酵产物总量从1 106.1 mg/L增加为1 695.1 mg/L,作为乙醇型发酵目的产物的乙醇和乙酸的含量从90%减少为85%.HRT进一步降低为4 h时,系统内生态条件发生剧烈变化,其pH值、ALK、ORP分别为3.7、75 mg/L和-210 mV,生物量锐减至1.1 gVSS/L,同时乙醇型发酵演替为混合酸发酵,产氢能力下降为零.可见,多种因素可对发酵产氢厌氧活性污泥系统产生影响,而其中HRT是直接可控的第一影响因素.     

有机废水产酸发酵典型类型的产氢能力

通过连续流搅拌槽式反应器的运行,比较了丙酸型发酵、丁酸型发酵和乙醇型发酵等3种不同有机废水产酸发酵类型的产氢能力.在进水COD浓度为5 000 mg/L、HRT 8 h、(35±1)℃等条件下,丙酸型发酵厌氧活性污泥的比产氢速率平均仅为0.022 mol/(kgMLVSS·d);丁酸型发酵的产氢能力平均为0.57 mol/(kgMLVSS·d),是丙酸型发酵的25.79倍;乙醇型发酵厌氧活性污泥的平均比产氢速率为2.89 mol/(kgVSS·d),是丁酸型发酵的5.1倍,是丙酸型发酵的131.65倍.乙醇型发酵是有机废水发酵法生物制氢的最佳产氢发酵类型.     

有机负荷对连续流厌氧发酵产氢系统的影响

以连续流搅拌槽式反应器作为发酵生物制氢反应装置,针对有机负荷(OLR)对厌氧活性污泥发酵生物制氢系统运行的影响进行实验研究.在水力停留时间(HRT)8 h,(35±1)℃,进水COD质量浓度6000 mg/L,即OLR为18 kg/(m3.d)的条件下运行,厌氧活性污泥发酵产氢系统达到稳定时的平均产氢量为10.96 L/d,比OLR 12 kg/(m3.d)条件下提高了19.3%,比OLR 6 kg/(m3.d)条件下提高了52.3%.当进水COD质量浓度达到8000 mg/L,即OLR为24 kg/(m3.d)时,pH、ALK分别从大于4.1和250 mg/L的水平,迅速下降到3.7和5 mg/L以下,而ORP则从-350 mV急速上升到-210 mV以上.表明厌氧活性污泥微生物已无法承受有机负荷提高造成的环境变化,其活性受到严重抑制,反应器产氢能力急剧下降,系统的产酸发酵类型也发生了根本改变.     

有机负荷对厌氧活性污泥发酵产氢系统的影响

采用连续流搅拌槽式反应器(CSTR),通过改变进水COD浓度与水力停留时间(HRT)2种方式,考察了有机负荷(OLR)对厌氧活性污泥发酵产氢系统产氢特性的影响.结果表明,在维持HRT 8 h、(35±1)℃不变的条件下,CSTR发酵产氢系统在进水COD浓度为6 000 mg/L(OLR为18 kg/(m3·d))时可获得较高的产氢量,平均为10.96 L/d;当进水COD浓度提高到8 000 mg/L(OLR为24 kg/(m3·d))时,系统产氢能力迅速下降.在维持进水COD浓度为6 000 mg/L、(35±1)℃不变的条件下,HRT为6 h(OLR为24 kg/(m3·d))时,CSTR发酵产氢系统的最大产氢量为16.2 L/d;当HRT降至4 h(OLR为36 kg/(m3·d))时,反应系统逐渐丧失了产氢能力.有机负荷过高,将引起了厌氧活性污泥发酵产氢系统内pH、碱度、氧化还原电位等生态条件的剧烈变化,不仅导致了厌氧活性污泥的微生物群落结构的改变,同时严重抑制了微生物的代谢活性.     

不同来源污泥对稻草发酵产氢影响的研究

讨论了不同来源的混合菌群、不同的接种方式以及单一菌种产气肠杆菌对稻草发酵产氢的影响.相对于混合菌群，单一纯菌产气肠肝菌在氢气产量上处于劣势.对于取自同一沼气池的厌氧活性污泥，经煮沸后扩大培养的混合菌群作为接种物，经过NaOH预处理后稻草的单位产氢量为91.5 mL/g，最高产氢速率为1.52 mL/(h·g)；以直接扩大培养的污泥作为接种物，经过NaOH预处理后稻草的单位产氢量为62.5 mL/g，最高产氢速率为1.04 mL/(h·g).对3种混合菌群均采用直接扩大培养的接种方法，其总产氢气量为：沼气池污泥（62.5 mL/g）<污水处理厂污泥（69.5 mL/g）<湖底污泥（80.5 mL/g）.     

ABR大豆蛋白废水处理系统的产氢性能分析

以大豆蛋白生产废水为原料,对厌氧折流板反应器进行了连续流有机废水发酵产氢实验.反应器在污泥接种量为18.03 MLVSS/L,进水COD浓度为2 000 mg/L,水力停留时间为16 h及(35±1)℃等条件下启动运行,25 d后达到稳定运行状态.反应器稳定运行时,厌氧活性污泥产酸发酵系统呈现典型的乙醇型发酵特性,总产氢量为51.05 L/d左右,其中第一、第二、第三和第四格室的平均产氢量分别为12.25 L/d、15.8 L/d、13 L/d和10L/d.厌氧活性污泥乙醇型发酵的形成,主要受pH值这一环境因子的制约.     

环流罐式光合生物反应器连续产氢研究

采用自行研制的新型环流罐式光合微生物反应器(CCPR),进行了以经过预处理的猪粪污水为产氢底物,利用光合细菌菌群产氢的实验研究,探讨了连续光合产氢的工程控制参数.实验连续进行了69 d,连续稳定产氢63 d.研究表明,在采用连续批培养产氢方式,利用海藻酸钠进行光合细菌的固定化,采用太阳光和辅助光源连续照射,温度为(31±2)℃,基质浓度COD在5 000～5 500 mg/L,pH无需调整的情况下,可获得平均633.1 mL/(L·d)的产氢速率,稳定产氢期间最大产氢速率为722.6 mL/(L·d),原料的平均转化利用率为61.7%.     

初始pH值对餐厨垃圾高温高含固率厌氧发酵产酸的影响

研究了高温(55℃)、高含固率(TS为20%)条件下初始pH(5,7,9)值对餐厨垃圾厌氧发酵产挥发性脂肪酸(VFA)的影响。结果表明:增加初始pH值能显著提高VFA浓度和产率。初始pH=9的体系发酵结束时VFA浓度和产率最高,分别为23.48 g/L、0.095 g/g VS_(fed)。初始pH=7时以丁酸型发酵为主导;pH=9时则以乙酸型发酵为主导,更适合作为废水脱氮除磷过程的碳源。因此,从产酸率和产酸类型而言,适当提高餐厨垃圾初始pH值更有利于其向目标产物VFA转化。     

两种类型生物制氢反应器的运行及产氢特性

为探求反应器型式对发酵法生物制氢过程的影响,分别采用连续流搅拌槽式反应器(CSTR)和颗粒污泥膨胀床反应器(EGSB)接种厌氧活性污泥,从糖蜜废水中制取氢气.运行中控制温度为35℃,通过缩短水力停留时间(HRT)和增加进水COD质量浓度的方式逐渐提高容积负荷(OLR),分别对CSTR系统和EGSB系统的产氢速率、pH、液相末端产物及生物量进行研究.结果表明,两个系统中,产氢速率均随OLR提高而逐渐升高.CSTR的最佳产氢OLR为25~35 kg/(m3.d),而EGSB的最佳产氢OLR为70~80 kg/(m3.d);此时,CSTR系统的最大产氢速率为6.21 L/(L.h),EGSB系统的最大产氢速率可达18.0 L/(L.h).稳定运行期,EGSB系统的生物量为27.6 gVSS/L,而CSTR的生物量仅为7.8 gVSS/L,说明较高的生物量是生物制氢反应器稳定运行和高效产氢的关键.两个系统均可形成乙醇型发酵,说明发酵类型的形成不受反应器型式影响.与CSTR反应器相比,EGSB反应器具有更好的耐酸能力.     

碳源、氮源及碳/氮比值对发酵产氢细菌RF-9产氢性能的影响

利用间歇实验对不同碳源、氮源及碳氮质量比值对产氢细菌RF-9的发酵产氢行为影响进行了探讨.结果表明,葡萄糖和玉米浆+酵母膏复合物是产氢菌RF-9发酵产氢较理想的碳源和氮源.碳/氮(mC/mN)质量比值对菌株RF-9的生长发酵产氢行为产生很大的影响,随着mC/mN比值的逐渐加大,菌株RF-9的生长及发酵产氢性能也逐渐提高,当mC/mN为5.5时,葡萄糖利用率最大93.3%,产氢菌株RF-9的释氢量和生长量也达到最大,分别为135.9 mmol/L和0.723 g/L,发酵液相末端产物总量相应地达到最高5 850.8 mg/L,其中乙醇和乙酸是主要的可溶性代谢产物,pH降为最低3.36.当mC/mN＞5.5,随着mC/mN比值的继续增加,菌株RF-9的生长发育及代谢性能表现为下降趋势.     

生物制氢反应器不同发酵类型产氢能力的比较

对生物制氢反应器乙醇型发酵和丁酸型发酵的产氢能力及其生态学特性进行了对比分析.结果表明,NADH/NAD 平衡调节是影响不同发酵类型产氢差异的主要原因.在有机负荷为40 kg/(m3.d)条件下,乙醇型产酸发酵菌群表现出较高的产氢能力,最大比产氢速率为550 m l/(gVSS.d),是丁酸型产酸发酵菌群比产氢速率的3.3倍.综合两种发酵类型特性、运行操作条件和制氢成本考虑,乙醇型发酵更适合作为生物制氢工业化生产的发酵类型.     

pH对发酵系统的产甲烷活性抑制及产氢强化

为抑制厌氧发酵系统的产甲烷活性,强化其发酵产氢性能,采用逐级降低pH的调控方法,探讨连续流搅拌槽式反应器(CSTR)从具有显著甲烷发酵特征的厌氧发酵系统向发酵产氢系统转变的运行特征．在进水COD 7 000 mg／L、水力停留时间(HRT) 8 h条件下,发酵体系在pH 由65～72降低到60～65时,虽然发酵气中的甲烷体积分数逐渐减少乃至消失,但氢气体积分数一直在3％以下;当pH下降到40～50时,系统中的产酸发酵作用得到了进一步强化,挥发性发酵产物总量平均为2 052 mg／L,呈现为典型的乙醇型发酵,发酵气产量平均为26 L／d,其氢气体积分数稳定在45％左右,活性污泥的比产氢率达167 L／(g·d)．     

制备条件对TiO2/S2-/SO2-3耦合系统产氢的影响

采用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的有序聚集体为模板辅助制备了纳米TiO2,通过XRD和比表面测试(BET)对纳米TiO2进行表征,详细考察了投料比、投料时间、水浴温度、煅烧温度和煅烧时间等对TiO2/S2-/SO2-3耦合系统产氢性能的影响.结果表明,n(CTAB)∶n(TiO2)为0.10,投料时间为40 min,水浴温度40 ℃,在450 ℃下锻烧2 h时,制备的TiO2/S2-/SO2-3耦合产氢系统3 h累计产氢694.5 mL,较S2-/SO2-3独立系统的产氢量提高36.3%,最大瞬时产氢速率为11.9 mL/min.根据试验结果对耦合产氢的反应机理进行了初步探索.     

不同预处理方法对剩余污泥厌氧发酵产氢的影响

对种泥进行预处理,能去除不产芽孢的耗氢菌,可以达到加快有机废水发酵生物制氢系统启动进程,提高污泥产氢效能的目的.为寻求适宜的种泥预处理方法,利用摇瓶发酵实验,考察城市污水处理厂好氧活性污泥分别经酸、碱、热、曝气、CHCl3和二溴乙烷磺酸钠（BES）预处理后,其利用葡萄糖发酵产氢的特性.结果表明,在初始pH 7.0、葡萄...     

养殖场鸡粪废水厌氧发酵产氢性能

在养殖场鸡粪废水中添加米糠提高废水的碳氮比,以经过不同预处理的厌氧活性污泥为接种物,控制发酵温度为36℃,初始pH为5.0,考察污泥预处理及底物质量浓度对发酵产氢的影响,并分析液相末端产物及发酵液化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)去除率.研究结果表明,污泥的最佳预处理方法为热处理(100℃下加热15 min),发酵累积生物气产量和氢气产量分别为1 781和1 082.8 mL,是未处理组的2.52和5.85倍;鸡粪废水的适宜质量浓度为10 218 mg/L,此时氢气产量为185.1 mL/g,由Gompertz模型对产气量进行非线性拟合得拟合方程,说明该模型可很好地模拟发酵产氢过程;发酵结束后液相末端产物主要转化为乙酸和丁酸等挥发性有机酸,在不同底物质量浓度下COD去除率随底物质量浓度先增加后减小,在质量浓度为10 218 mg/L时达到26.9%.     

产氢发酵细菌培养基的选择和改进

高效产氢菌株的筛选与分离是生物制氢技术应用的重要基础之一,现有培养基都存在一定缺陷,为分离到高效产氢菌株,提出 LM 系列培养基配方,并通过产氢发酵细菌的分离和生长实验,确定了培养基的强还原剂为半胱氨酸,pH 值为6.根据培养基对厌氧菌的分离数量、种类和培养基成分的分析,选择 LM-1培养基为产氢发酵细菌的分离培养基.LM-1培养基分离出的5株高效产氢发酵细菌属于4个菌属,其中拟杆菌属、克雷伯氏菌属是国际上尚未分离到的高效产氢发酵细菌.利用 LM-1培养基进行高效产氢细菌分离操作,得到较好的效果.     

固定产酸克雷伯氏菌产氢的研究

为了保持菌体固有的生物活性,使其重复使用,将产酸克雷伯氏菌(HP1,Klebsiella oxytoca)包埋在凝胶中,采用注滴法制备海藻酸钙凝胶球来固定产酸克雷伯氏菌HP1,达到截留菌体产氢的目的.结果表明,选择培养6～8 h的菌体作为海藻酸钙凝胶球包埋的菌体,Tris做培养基中的缓冲盐,当体积质量为5 g/L时,最佳产氢初始pH值为9.0,温度为37℃,采用柱反应器连续产氢7 d,平均产氢速率为3.38×10-2 moL(/L.h)-1.     

连续流生物发酵制氢操作参数的优化研究

采用20 L连续流搅拌罐式反应器(CSTR),通过设计正交试验对厌氧发酵制氢的温度(T)、水力停留时间(HRT)、pH、C/N比等操作参数进行优化.结果表明,适当条件下产氢速率、氢气含量、葡萄糖利用率、转化率最大分别达6.00 L/h、55.0%、99.0%、157.86 mL/g.最佳pH、T、HRT、C/N比分别是5.0、33.5～36.5℃、8.34 h、112/1.55.取最佳参数进行验证实验,进一步得出最佳温度为35.5℃,产氢速率、氢气含量、葡萄糖利用率、潜在最大葡萄糖转化率分别为5.66 L/h、54.0%、0.97、191.18 mL/g.验证实验所得结果优于正交试验中的任一单个试验结果,这表明正交试验是成功的.