暗发酵生物制氢设备及工艺优化研究

发布时间：2018-06-05 04:05

本文选题：秸秆上清液 + 活性污泥　；参考：《河南农业大学》2016年硕士论文

【摘要】：近年来,氢气作为环境友好型的清洁能源受到了广泛关注。在众多的制氢方式中,暗发酵制氢因其可以有效利用生物质原料,减少农业废弃物对环境的污染而成为可再生能源领域的研究热点。玉米秸秆类生物质是我国主要的农业废弃物,其中的纤维素含量比小麦、大豆、高粱等秸秆高(约占36%),因此,积极研究开发玉米秸秆的纤维素能源高效转化与提质技术具有重要科学意义和实用价值,以玉米秸秆类生物质为原料的生物制氢技术也成为国内外的研究热点之一。目前,生物制氢的研究工作多处于实验室研究阶段,制氢反应器的设计规模和运行模式仅仅局限于小规模的批次运行阶段,对于以工业生产为标志的能够连续运行的大容积反应器鲜有涉足。本课题采用小型生物质暗发酵制氢装置和10m3暗-光发酵联合制氢装置中暗发酵反应单元相结合的试验方式,以累积产氢量为考察目标,优化出以活性污泥和产气肠杆菌为产氢菌源时暗发酵制氢系统运行的最优发酵温度、初始pH值、水力停留时间等参数,这将为生物制氢效率的提高,农业废弃物资源的最大化利用以及生态环境的保护起到重要的推动作用,对实现生物质制氢的低成本、规模化生产具有重要的意义。(1)以粒度小于0.088 mm秸秆粉的酶解液为底物与热预处理活性污泥(其中TS%为6.77%,VS%为47.90%,COD为36.665 g/L)进行暗发酵产氢实验,以累积产氢量和产氢速率为考察指标,研究不同热预处理(100℃水浴)时间、初始pH值、酶解液浓度、发酵温度对暗发酵产氢的影响,并利用修正的Gompertz方程对产氢过程进行回归分析,优化出最佳玉米秸秆酶解液暗发酵产氢的工艺参数。结果表明:活性污泥利用玉米秸秆酶解液进行暗发酵产氢时,当活性污泥热预处理时间为15 min、初始pH值为5.0、玉米秸秆粉酶解液浓度为22.34 mg/m L、发酵温度为40℃时,产氢效果最佳,此时最大累积产氢量达到653.98 m L,最大产氢速率为15.89 m L/h。(2)以累积产氢量为考察指标,基于响应面Box-Behnken模型研究不同影响因素对玉米秸秆酶解上清液暗发酵产氢的影响,考察暗发酵产氢过程中不同影响因素间交互作用的显著性,并对玉米秸秆酶解上清液暗发酵产氢工艺进行优化。结果表明:温度、初始pH值和还原糖浓度三因素中,温度和还原糖浓度对玉米秸秆酶解上清液暗发酵产氢的影响最大,两两因素的交互作用对产氢量的影响效果均显著。采用Box-Behnken模型获得的最佳产氢条件为:温度38.32℃,初始pH值4.93,还原糖浓度20.70 mg/m L,最大产氢量685.59 m L,此时最大产氢率为57.13m L/g。通过试验验证,实际最大产氢量为659.24 m L,产氢率为54.94m L/g,与模型预测值相比,相对误差为3.84%,说明该模型具有较好的拟合性。(3)根据厌氧折流板反应器(ABR)的设计原理,进行10m3暗-光发酵联合制氢装置中暗发酵反应单元的设计,即暗发酵反应单元进料管、出料管、加热套层、折流板尺寸、暗发酵反应器上盖板以及自动控制系统的设计,总容积达3m3,从而建立一套完整的暗发酵生物制氢试验系统,对实现生物质制氢的低成本、规模化生产具有重要的意义。(4)分别以活性污泥和产气肠杆菌为菌源在10m3暗-光发酵联合制氢装置暗发酵反应单元中进行连续实验,其中以活性污泥为菌源时,最佳的水力停留时间为24h,暗发酵144h共产气6.6m3,氢气含量为31.07%,产氢量达2.05m3,氢气产率为11.4m LH_2/g(C_6H_(12)O_6),其中2#隔室出现了最大的产氢量222.46L/d;以产气肠杆菌为菌源时,最佳的水力停留时间为48h,暗发酵144h共产气3.4m3,氢气含量为35.18%,产氢量达1.19m3,氢气产率为13.2m LH_2/g(C_6H_(12)O_6),其中2#隔室出现了最大的产氢量128L/d,从而为暗发酵制氢的产业化发展奠定基础。
[Abstract]:In recent years , hydrogen has been widely used as environmentally friendly clean energy source . In many ways of hydrogen production , it is a hot topic in the field of renewable energy . ( 1 ) The hydrogen production was studied by using the modified Gompertz equation . The results showed that the maximum cumulative hydrogen production reached 653.98 mL and the maximum hydrogen production rate was 15.89 m L / h . ( 2 ) The effect of different factors on the production of hydrogen was studied by using Box - Behnken model . The results showed that the maximum hydrogen production was 659.24 mg / mL , the maximum hydrogen production was 4.93 , the reducing sugar concentration was 20.70 mg / mL , the maximum hydrogen production was 689.24 mg / g , the maximum hydrogen production rate was 4.93 , the maximum hydrogen production rate was 57.13m L / g . ( 4 ) Continuous experiments were carried out in the dark - light fermentation unit of 10m3 dark - light fermentation by activated sludge and aerogenes respectively . The optimal hydraulic retention time was 24 h , the hydrogen content was 31.07 % , the hydrogen production was 2.05m3 , the hydrogen production rate was 11.4m LH _ 2 / g ( C _ 6H _ ( 12 ) O _ 6 ) , the hydrogen content was 35.18 % , the hydrogen production was 1.19m3 , the hydrogen yield was 13.2m LH _ 2 / g ( C _ 6H _ ( 12 ) O _ 6 ) , and the hydrogen yield was 128L / d , thus laying the foundation for the industrialization of hydrogen production .
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ920.6;TQ116.2

【相似文献】