CSTR和ABR处理有机废水产氢产甲烷特征与效能

【摘要】：厌氧发酵技术是解决环境污染及能源需求问题的重要途径。本文针对常见的连续流搅拌槽式反应器(CSTR)和厌氧折流板反应器(ABR)两类反应器在发酵制氢和甲烷发酵中存在的理论和技术问题,开展了发酵产氢产甲烷系统的调控技术研究,并探讨ABR同步产氢产甲烷的的可行性,进一步研究了提高其效能的技术措施。 以好氧污泥为启动接种物的CSTR发酵制氢系统的研究表明,通过工程控制技术,可以在系统内定向培育出丙酸型发酵、丁酸型发酵和乙醇型发酵等代谢类型不同的微生物群落,其中乙醇型发酵是厌氧活性污泥系统发酵产氢的最佳类型,其比产氢速率为2.89 mol/kgMLVSS·d,是丁酸型发酵的4倍,是丙酸型发酵的148倍。在CSTR发酵制氢系统中,其产氢机制主要为丙酮酸脱羧产氢和辅酶Ⅰ氧化还原平衡调节产氢,其产氢量对反应器总产氢量的贡献分别为82%和18%,而产氢产乙酸作用未得到发挥。同时发现,较低的污泥负荷率对乙醇型发酵的形成具有显著的促进作用。在相同条件下,CSTR启动污泥负荷为0.99 kgCOD/kgMLVSS·d,达到稳定乙醇型发酵的时间为30 d,而当污泥负荷降低为0.64 kgCOD/kgMLVSS·d时,乙醇型发酵的启动则可在16 d内完成。 为解决CSTR发酵制氢系统存在的单位基质氢气转化率低及因搅拌带来的耗能问题,开展了ABR系统发酵产氢研究。结果表明,ABR是一种较为理想的有机废水发酵制氢反应设备,与CSTR相比,具有较高的微生物产氢活性、较低能源消耗等优点。在HRT 13.5 h、35℃和进水COD 5000 mg/L条件下,系统可在26 d达到乙醇型发酵,其比产氢速率为0.13 L/gMLVSS·d,而CSTR在同样条件下的比产氢速率仅为0.06 L/gMLVSS·d。 在一定控制条件下,CSTR和ABR两类反应器内均可建立起完整的甲烷发酵微生物体系。CSTR在进水COD浓度为4000 mg/L、HRT为24 h等条件下,可以在73 d形成具有完整甲烷发酵过程的絮状悬浮厌氧活性污泥系统,其COD去除率维持在70%左右。而ABR以厌氧絮状污泥接种时,在进水COD、HRT相同的情况下,其COD去除率在17 d后即可达到74%,在有机负荷为4 kg/m3·d,COD去除率可稳定在90%以上。 提出了借助ABR构建发酵联合产氢-产甲烷系统的技术思想,通过前端格室发酵产氢、后端格室发酵产甲烷的生物相功能调控,构建成功ABR发酵联合产氢-产甲烷系统,在进水COD 6000 mg/L、ALK 1900 mg/L条件下,系统的COD去除率提高到62%以上,产氢能力达到0.37 m~3/m~3·d,产甲烷能力达到1.66 m~3/m~3·d。研究表明,碱度调节可有效刺激ABR发酵联合产氢-产甲烷系统中厌氧活性污泥的增殖和产甲烷活性,但对前端格室厌氧活性污泥的发酵产氢所用有所抑制;而微量元素则对所有微生物类群的活性具有很好的提升效果,并可有效增加系统的生物多样性,但对微生物增殖的促进作用不显著。无论是进水COD浓度的改变、碱度的变化,还是微量元素的投加,都会引发ABR发酵联合产氢-产甲烷系统中微生物群落的演替,各格室厌氧活性污泥的群落构成也呈现有规律的更迭。 在研究产氢氢化酶活性测定影响因素的基础上,优化并确立了一种具有较高灵敏度的产氢氢化酶活性测定方法,采用该方法检测到的产氢氢化酶活性,与ABR活性污泥的比产氢速率具有高度相关性,可用于评价ABR产氢效能。 【关键词】：有机废水 发酵制氢 甲烷发酵 连续流搅拌槽式反应器(CSTR) 厌氧折流板反应器(ABR) 产氢氢化酶
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-15
• 第1章 绪论15-33
• 1.1 概论15-16
• 1.2 有机废水能源化的途径16-17
• 1.3 厌氧生物处理与甲烷发酵技术17-21
• 1.3.1 甲烷发酵的生物学机制17-18
• 1.3.2 有机废水厌氧生物处理技术18-19
• 1.3.3 甲烷发酵系统中的产氢产乙酸作用19-21
• 1.4 有机废水发酵法生物制氢技术21-23
• 1.4.1 生物制氢技术21
• 1.4.2 有机废水发酵法生物制氢技术21-23
• 1.4.3 产氢产乙酸菌群对于提高基质氢气转化率的重要意义23
• 1.5 生物制氢与甲烷发酵的联合技术23-29
• 1.5.1 两相厌氧发酵技术24-25
• 1.5.2 ABR 与氢气甲烷联产技术25-29
• 1.6 课题的提出及研究内容29-33
• 1.6.1 课题的提出29
• 1.6.2 主要研究内容29-30
• 1.6.3 课题的技术路线30-33
• 第2章 实验装置与方法33-46
• 2.1 有机废水发酵法生物制氢试验33-35
• 2.1.1 CSTR 发酵制氢装置及其运行控制33-34
• 2.1.2 ABR 发酵制氢装置及其运行控制34
• 2.1.3 试验废水34-35
• 2.2 有机废水甲烷发酵试验35-36
• 2.2.1 CSTR 甲烷发酵装置及其运行控制35
• 2.2.2 ABR 甲烷发酵装置及其运行控制35-36
• 2.2.3 试验废水36
• 2.3 有机废水发酵产氢-产甲烷试验36-37
• 2.3.1 试验装置36-37
• 2.3.2 运行控制37
• 2.4 试验仪器、设备与材料37-39
• 2.4.1 主要仪器设备37
• 2.4.2 试验试剂及材料37-39
• 2.5 分析方法39-45
• 2.5.1 常规分析项目及测定方法39-40
• 2.5.2 微生物形态学观察40-41
• 2.5.3 厌氧活性污泥分子生物学分析41-43
• 2.5.4 DGGE 及厌氧活性污泥菌群构成分析43-45
• 2.6 厌氧活性污泥标志酶测定的基准方法45-46
• 第3章 CSTR 和ABR 发酵产氢特征及效能46-74
• 3.1 厌氧活性污泥发酵产氢代谢途径分析46-50
• 3.1.1 EMP 途径中的丙酮酸脱羧产氢47-48
• 3.1.2 辅酶Ⅰ的氧化与还原平衡调节产氢48-50
• 3.1.3 产氢产乙酸菌的产氢作用50
• 3.2 CSTR 发酵生物制氢反应器中微生物产氢途径研究50-55
• 3.2.1 EMP 途径51-53
• 3.2.2 产氢产乙酸菌的产氢作用53-54
• 3.2.3 NADH/ NAD+平衡调节的产氢作用54-55
• 3.3 CSTR 不同发酵菌群的产氢效能55-60
• 3.3.1 乙醇型发酵菌群的产氢能力55-56
• 3.3.2 丁酸型发酵菌群的产氢能力56-57
• 3.3.3 丙酸型发酵菌群的产氢能力57-58
• 3.3.4 不同发酵类型产氢效能比较及机制分析58-60
• 3.4 CSTR 乙醇型发酵产氢系统的快速启动60-64
• 3.4.1 第一次启动乙醇型发酵CSTR 系统60-61
• 3.4.2 第二次启动乙醇型发酵CSTR 系统61-62
• 3.4.3 第三次启动乙醇型发酵CSTR 系统62-64
• 3.4.4 CSTR 制氢系统污泥定向驯化的生态学分析64
• 3.5 ABR 发酵产氢系统关键调控技术研究64-70
• 3.5.1 ABR 制氢系统的运行控制64-65
• 3.5.2 ABR 产氢系统的产氢特性65
• 3.5.3 ABR 运行特征参数的变化规律65-70
• 3.6 CSTR 与ABR 发酵产氢系统的综合比较70-72
• 3.7 本章小结72-74
• 第4章 CSTR 和ABR 甲烷发酵系统运行特征及效能74-95
• 4.1 CSTR 甲烷发酵系统关键调控技术研究74-81
• 4.1.1 CSTR 甲烷发酵系统特征参数的变化规律74-80
• 4.1.2 CSTR 甲烷发酵系统的生物相观察80
• 4.1.3 CSTR 甲烷发酵系统的运行特性分析80-81
• 4.2 ABR 甲烷发酵系统的调控81-93
• 4.2.1 COD 及其去除率的变化特征82-83
• 4.2.2 发酵气特性分析83
• 4.2.3 液相末端发酵产物变化特征83-86
• 4.2.4 生物量变化特征86-87
• 4.2.5 污泥表观特征的观察87-91
• 4.2.6 ABR 甲烷发酵系统的运行特性分析91-93
• 4.3 CSTR 与ABR 甲烷发酵系统的效能比较93-94
• 4.3.1 废水处理效能93
• 4.3.2 系统运行稳定性93
• 4.3.3 厌氧活性污泥活产甲烷活性93-94
• 4.4 本章小结94-95
• 第5章 ABR 系统联产氢气甲烷的运行特征及效能95-130
• 5.1 ABR 系统联产氢气甲烷的启动95-102
• 5.1.1 COD 及其去除率的变化特征96-97
• 5.1.2 液相末端发酵产物的变化特征97-99
• 5.1.3 ABR 产气量及气体成分变化特征99-102
• 5.2 ABR 系统联产氢气甲烷的调控102-113
• 5.2.1 碱度调控下的运行特征102-107
• 5.2.2 微量元素对氢气甲烷联产ABR 系统效能的调节107-113
• 5.2.3 进一步提高ABR 系统联产氢气甲烷效能的策略分析113
• 5.3 ABR 系统联产氢气甲烷中的微生物群落演替规律113-123
• 5.3.1 真细菌菌群的演替规律114-120
• 5.3.2 产甲烷菌群的演替规律120-123
• 5.4 厌氧活性污泥产氢活性标志酶及其检测方法优化123-128
• 5.4.1 厌氧污泥产氢活性标志酶的选择123
• 5.4.2 影响厌氧污泥产氢活性标志酶检测因素研究123-125
• 5.4.3 厌氧污泥产氢活性标志酶检测方法的优化125-127
• 5.4.4 厌氧污泥的标志酶活性与其产氢能力的相关性分析127-128
• 5.5 本章小结128-130
• 结论130-132
• 参考文献132-142
• 攻读学位期间发表的学术论文142-144
• 致谢144-145
• 个人简历145

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