附着性和颗粒型膨胀床生物制氢反应器的运行和调控

附着性和颗粒型膨胀床生物制氢反应

器的运行和调控

题目

Through the research of the biofilm-based expanded bed, the results showed organic loading rate (OLR) was a significant parameter in reactor control and hydrogen production, especially in fermentation types formation. Ethanol-type fermentation formed under the OLR of 10 kgCOD/m3·d.The biofilm-based expanded bed reactor performed well in 31d operation, pH=4.2~4.4 and the average hydrogen production rate was 0.66 L/L·h. Through the research of the granule-based expanded bed, the results showed that hydrogen-producing granule was observed at the 20d from startup, and the maximum hydrogen production rate was 1.07 L/L·h when OLR=86.3 kgCOD/ m3·d.

Glucose as substrate，start biofilm-based and granule-based expanded bed hydroge n-producing reactors. The results showed that when HRT of 1.0h, the corresponding gl ucose concentration of 40g/L, the biofilm-based expanded bed achieved maximum h ydrogen production rate of 6.54L/L·h; when HRT was 1.5 h, the corresponding gluc ose concentration of 60 g/L, the granule-based expanded bed reactor achieved maximu m hydrogen production rate of 6.85L/L·h.When HRT of 1.0h and the correspondin g glucose concentration of 40 g/L, the two reactors obtained the maximum hydrogen of 1.69mol/mol-glucos and 1.54mol/mol-glucose,respectively.

摘要

能源枯竭、环境恶化是人类正在面临着的严峻挑战。氢气是一种清洁无污染、热效能高的可再生能源，是一种有很大发展前景能够替代化石能源的能源，而生物制氢技术成为氢能发展的必然趋势。发酵法生物制氢技术产业化的关键因素是提高反应器系统的产氢效能从而降低制氢成本。本文研究了附着型和颗粒型膨胀床生物制氢反应器的启动和运行调控及其影响因素，并通过各自的产氢效能进行了比较分析。

1．绪论

1.1引言

环境的破坏在很大程度上制约了人类经济社会的发展[1]。有研究者在19世纪便已发

现细菌和藻类能够产生分子氢这一现象[2]，但无进一步研究。而20世纪70年代的能源使得全世界开始意识到寻求一种替代能源的急迫需要，于是便开始研究生物制氢领域[2,3]。生物制氢领域的各种现代生物技术的应用，大大推进了生物制氢技术的进一步发展[4]。氢能的密度高于汽油2.68倍；转化为动力时的热效率高于常规石化能源30%～60%[5]；氢还有一优势是便于储存和运输。

1.2发酵法生物制氢技术的国内外研究现状

厌氧附着膜膨胀床(Anaerobic Attached microbial Film Expanded Bed, AAFEB)反应器是Jewell等人于20世纪70年代中期研制的厌氧消化工艺。在AAFEB反应器中，大部分微生物以附着于载体上的形式存在，通过利用扩散模式方式进入生物膜的废水中的营养成份，在厌氧发酵菌和产氢产乙酸菌的联合作用下，产生氢气[10]。厌氧附着膜膨胀床(AAFEB)是一种效率高，适应性广的厌氧处理工艺，现已成功地用于处理不同类型和浓度的有机废水。然而，由于缺乏良好的新型消化器的设计、运行控制参数，至今还没有大型AAFEB装置应用于工业生产[11]。

厌氧膨胀颗粒床反应器( Expanded Granular Sludge Bed , EGSB)反应器由荷兰Wageinge农业大学的Letinga等人于20世纪90年代初研发，最初大部分的研究都集中于处理CODCr的质量浓度低于1000 mg/L的低温低浓度污水[12]。低浓度废水通常是指CODCr的质量浓度低于1000 mg/L的废水，主要包括生活污水、市政污水和一些稀释后的工业废水。后又用于处理含难降解SS(Suspended Solids)及高浓度SS废水的处理以及含毒性或抑制性物质废水[12]。现已在废水处理领域逐渐推广，然而作为生物制氢反应器的研究在国际上却鲜有报道。我国发酵法生物制氢技术研究于1990年在哈尔滨工业大学正式展开。该技术利用通过驯化的厌氧微生物菌群的产酸发酵作用，以有机废水为原料来生产氢气，是一项集高浓度有机废水处理和生物制氢为一体的综合工艺技术。该技术利用厌氧活性污泥的混合菌种具有自絮凝作用，在处理高浓度有机废水的同时，还回收了大量的清洁能源氢和甲烷，其试研究成果在国际上已具领先水平[13]。

1.3发酵产氢微生物产氢类型

在厌氧发酵制氢反应器中，环境因素的不同导致形成优势菌群的不同，从而表现出不同的发酵类型[17]。

1.3.1 丁酸型发酵

丁酸型发酵制氢途径主要在梭菌属(Clostridium)如丁酸梭状芽孢杆菌(C.butyricum)下进行。许多可溶性的碳水化合物(如葡萄糖、蔗糖、淀粉等) 在严格的厌氧细菌或兼性厌氧菌的作用下经行丁酸型发酵。其中出现的乙酸过程与丁酸循环机制耦联使之呈现丁