微生物电解池处理水热液化废水同步制氢的研究
发布时间：2020-05-05 08:25
【摘要】：水热液化(Hydrothermal Liquefaction,HTL)是一种直接将高含水率的生物质经高温高压转化成生物原油的热化学技术。目前,大多数研究集中在如何提高生物原油的产率和品质上,探究关于水热液化废水(Post-hydrothermal Liquefaction Wastewater,PHWW)的处理问题相对较少。该废水含有高浓度的、成分复杂的和有毒有害的有机化合物,如氮氧类杂环化合物等。目前,经传统的废水处理技术处理后并未能实现良好的处理效果,COD去除率在40-60%,因此,本研究构建了微生物电解池(Microbial Electrolysis Cell,MEC),探究了 MEC处理两种典型PHWW同步制氢的可行性,揭示了不同操作条件(辅助电压、有机负荷、水力停留时间)对MEC性能的影响规律,并解析了微生物电解池同时去除PHWW中有机物和总氮的机理。主要的结果如下:可行性探究表明MEC反应器设计合理、运行可行,且用MEC方法处理两种典型的PHWW同时制氢是可实现的。结果显示,MEC阴极产氢占绝对优势,以高氨氮的猪粪PHWW作为底物时,最大产氢速率和氢含量分别为75.36 mL/L/d和61.77%,而以低氨氮的玉米秸秆PHWW作为MEC底物时,最大产氢速率和氢含量分别为25.49 mL/L/d和55.45%。因此,MEC技术用于处理PHWW是一条可行之路,具有继续深入探究的必要性和潜力。不同操作条件对MEC性能的影响研究表明,PHWW经MEC处理后,废水中的有机污染物得到了很大程度的降解,并实现MEC的高效产氢。在较低的初始底物浓度下,COD去除率可高达97.87%。以高氨氮的猪粪PHWW作为底物时,最大产氢速率和氢气产率分别高达168.01 mL/L/d和5.14 mmol/kgCOD。若按此最大产氢速率计算,MEC产氢可基本满足HTL生物原油原位油品提质的过程所需,从而实现HTL和MEC较好的耦合。另外,猪粪PHWW中的含氮化合物经MEC处理后显示出较好的去除效果,如TKN的去除(80%),而NH3-N的去除(36.66%-76.53%)不及TKN。因此,MEC适用于PHWW中有机氮的去除,而对于PHWW中高浓度NH3-N的去除效果欠佳。阳极微生物菌群结构与有机化合物降解关系解析发现,MEC阳极微生物中细菌占绝对优势,且杆状菌居多,污泥中细菌多样性显著高于MEC阳极生物膜上,而MEC微生物膜上的菌群更具专一特性。从门水平上,阳极微生物主要菌群为:变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿菌门(Chlorobi)、放线菌门(Actinobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)以及绿弯菌门(Chloroflexi),构成了 MEC阳极生物膜细菌总数的80%以上。PHWW中难降解的大分子有机化合物如邻苯二甲酸二甲酯和邻苯二甲酸二乙酯,通过MEC处理后均可得到显著降解,最大去除率分别为95.3%和79.3%。其中邻苯二甲酸二甲酯的降解与阳极生物膜上Xanthobacter相关。
【图文】：
中国农业大学博士学位论文逦第一章绪论逡逑近年来，ＭＥＣ作为产氢的一条路径，吸引了越来越多的注意，如图１－２中所示（该图中数据逡逑来源于Ｗｅｂｏｆ邋Ｓｃｉｅｎｃｅ数据库）。这是由于ＭＥＣ产氢主要具有以下优势：（１）可以在温和的反应逡逑条件下发生，如环境温度、常压和中性ｐＨ值等［６４］；邋（２）不受热力学限制，原料高效转化；只需逡逑较小的外加辅助电压即可实现产氢（３）可用原料较为广泛，包括可生物降解的还原性有机逡逑物、无机物、中间代谢产物（有机酸）等；（４）唯一产物为清洁能源－氢气，无需分离、纯化；（５）逡逑可治理环境污染－如各种废水处理。ＭＥＣ生物制氢的研究共经历三个阶段：（１）外加辅助电压有逡逑交换膜的ＭＥＣ制氢［６６１；邋（２）外加辅助电压无交换膜的ＭＥＣ制氢［６７］［６８Ｈ６９］；邋（３）邋ＭＦＣ－ＭＥＣ耦逡逑合制氢［７ＤＨ７１］。与电化学法中的电解制氢相比，主要的优势在于ＭＥＣ可以所需外加的辅助电压逡逑远小于电解水产氢过程中所需的电压Ｏ１．２３０邋Ｖ）邋［７２］［７３］。与光合生物制氢相比，ＭＥＣ不受光照逡逑限制，在底物利用上可以处理比光合产氢更广泛的复杂有机质，如纤维素等。与厌氧发酵逡逑（Ａｎａｅｒｏｂｉｃ邋Ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ，ＡＤ）相比，ＭＥＣ也有一些显著的优势，如不受热力学和底物类型的限制逡逑而实现原料的高效转化
偶氮染料废水［８８１、纺织业废水间、青霉素废水网、糖浆废水【９｜］、生物柴油废水［９２］、啤酒废逡逑水［９３１、工业和食品过程废水［９４］和棕榈油废水等的处理。尽管如此，，对于实际复杂废水的处逡逑理往往需要经过一些预处理后再进行ＭＥＣ处理，如图１－３中所示，这样会大大提高其废水处理效逡逑率，特别是对于纤维素和木质纤维素类生物质难降解的本性，会一定程度上限制ＭＥＣ的性能［９５］。逡逑因ＭＥＣ的性能受到各种各样的因素制约，ＭＥＣ技术处理难降解废水的能力以及产氢的效率仍未能逡逑达到大规模商业化应用的要求。逡逑预处理逦ＭＦＣ、太阳能、风能．．．．．．逦Ｈ２用途逡逑［｜发酵过程＾逦ｆｃ供电叱逦（｜邋气体燃料＾邋＇；逡逑ｊ逦！逦Ｉ邋逦邋］逡逑中邋ｉ邋逦邋｜逦，；邋２邋７ａ邋｜邋氢燃料电池逡逑苎邋｜邋芬顿反应逦ｉ逦力邋ｉ邋逦邋！逡逑Ｓ．！，逦．丨？
本文编号：2649820
【图文】：
中国农业大学博士学位论文逦第一章绪论逡逑近年来，ＭＥＣ作为产氢的一条路径，吸引了越来越多的注意，如图１－２中所示（该图中数据逡逑来源于Ｗｅｂｏｆ邋Ｓｃｉｅｎｃｅ数据库）。这是由于ＭＥＣ产氢主要具有以下优势：（１）可以在温和的反应逡逑条件下发生，如环境温度、常压和中性ｐＨ值等［６４］；邋（２）不受热力学限制，原料高效转化；只需逡逑较小的外加辅助电压即可实现产氢（３）可用原料较为广泛，包括可生物降解的还原性有机逡逑物、无机物、中间代谢产物（有机酸）等；（４）唯一产物为清洁能源－氢气，无需分离、纯化；（５）逡逑可治理环境污染－如各种废水处理。ＭＥＣ生物制氢的研究共经历三个阶段：（１）外加辅助电压有逡逑交换膜的ＭＥＣ制氢［６６１；邋（２）外加辅助电压无交换膜的ＭＥＣ制氢［６７］［６８Ｈ６９］；邋（３）邋ＭＦＣ－ＭＥＣ耦逡逑合制氢［７ＤＨ７１］。与电化学法中的电解制氢相比，主要的优势在于ＭＥＣ可以所需外加的辅助电压逡逑远小于电解水产氢过程中所需的电压Ｏ１．２３０邋Ｖ）邋［７２］［７３］。与光合生物制氢相比，ＭＥＣ不受光照逡逑限制，在底物利用上可以处理比光合产氢更广泛的复杂有机质，如纤维素等。与厌氧发酵逡逑（Ａｎａｅｒｏｂｉｃ邋Ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ，ＡＤ）相比，ＭＥＣ也有一些显著的优势，如不受热力学和底物类型的限制逡逑而实现原料的高效转化
偶氮染料废水［８８１、纺织业废水间、青霉素废水网、糖浆废水【９｜］、生物柴油废水［９２］、啤酒废逡逑水［９３１、工业和食品过程废水［９４］和棕榈油废水等的处理。尽管如此，，对于实际复杂废水的处逡逑理往往需要经过一些预处理后再进行ＭＥＣ处理，如图１－３中所示，这样会大大提高其废水处理效逡逑率，特别是对于纤维素和木质纤维素类生物质难降解的本性，会一定程度上限制ＭＥＣ的性能［９５］。逡逑因ＭＥＣ的性能受到各种各样的因素制约，ＭＥＣ技术处理难降解废水的能力以及产氢的效率仍未能逡逑达到大规模商业化应用的要求。逡逑预处理逦ＭＦＣ、太阳能、风能．．．．．．逦Ｈ２用途逡逑［｜发酵过程＾逦ｆｃ供电叱逦（｜邋气体燃料＾邋＇；逡逑ｊ逦！逦Ｉ邋逦邋］逡逑中邋ｉ邋逦邋｜逦，；邋２邋７ａ邋｜邋氢燃料电池逡逑苎邋｜邋芬顿反应逦ｉ逦力邋ｉ邋逦邋！逡逑Ｓ．！，逦．丨？
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