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厌氧消化技术可将废弃物转化为可燃气-沼气,已是应用最广泛的可再生能源利用技术之一。近年来,采用暗发酵(Dark Fermentation,DF)和微生物电解池(Microbial Electrolysis Cell,MEC)的生物制氢技术备受关注。在厌氧消化过程中,厌氧化能异养菌将有机废物转化为有机酸进行甲烷发酵,而氢作为副产品获得。暗发酵制氢通过工艺条件控制(如高温灭活产甲烷菌,酸性条件抑制产甲烷活性)抑制甲烷生成而强化氢气的产生。而MEC制氢是一种利用微弱电力来诱发细菌氧化有机物产生H2的技术。本论文整合厌氧消化,暗发酵和MEC三种技术,通过研究三种技术不同的组合方式,工艺参数控制及预处理方式,探索工艺产气特性,强化产气效能,提高整体的能源回收效率。论文的主要结果如下:1.较单独的暗发酵产氢,微生物电解池产氢效能更高,而在MEC前端先进行暗发酵可进一步提高能源回收率。研究以玉米为底物,进行批式试验,共设置五个处理:A(MEC,电极间无塑料隔板),B(MEC,电极间有塑料隔板),C(先暗发酵24h,后用无塑料隔板的MEC),D(先暗发酵24h,后用有塑料隔板的MEC)和E(暗发酵),监测144小时内的产气。结果表明:A处理日均产氢速率最高,为1.89 m3/m3/day,其次为C处理,日均产氢速率为1.8 m3/m3/day。但C处理能源效率比A高51%。E处理日均产氢速率最低,仅为1.49 m3/m3/day。此外,在电极间加塑料隔板降低氢气产量和能源效率。在无塑料隔板的A、C处理中,平均容积产氢速率和能源效率分别为1.69m3/m3/day,141%;而在有塑料隔板的B、D处理中分别为1.5 m3/m3/day和114%。2.加热预处理和电压预处理均能提高产氢效能,而先暗发酵后MEC产氢工艺效能高于单独MEC。研究采用连续五个批次试验,共280小时。加热预处理方式为每批次注入新鲜底物时80℃加热15分钟,电压预处理方式为在电压2.5V条件下处理15分钟。试验分三组进行:A(暗发酵24小时后加MEC),B(MEC),C(空白,既不用暗发酵也不用MEC)。每组试验分不同预处理方式:处理1(不加电压和不加热);处理2(加热);处理3(加热和加电压);处理4(只加电压)。结果表明:A3反应器累积氢产量最高,达到3989 m L,A2和A4累积产氢气量分别为3800 m L,3500 m L,而A1累积产氢量仅为3311 m L。在B组中,B3累积产气量最高,为3878 m L,其次是B4(3830 m L),B2(3438 m L),和B1(2718 m L)。加热和加电压相结合的预处理效果最好,而在此预处理条件下,先暗发酵后MEC的处理比只用MEC的处理产氢效率更高,且节省约45%电耗。3.基于MEC的厌氧消化较普通厌氧消化在有机物去除率,产气品质和整体能源转化率方面均有极大优势。研究分两组:第一组以牛粪为底物,采用有效容积为8 L的厌氧反应器,进行为期10天的批式发酵。设置两个处理:A(基于MEC的厌氧消化),B(普通厌氧消化)。结果显示:A处理累积氢气和甲烷产量分别为2.43 L,23.64 L,COD能源转化率为7.09 KJ/g CODremoved;而B处理累积产氢量仅为0.01 L,累积产甲烷量为10.9 L,能源转化率为6.19 KJ/g CODremoved。基于MEC的厌氧消化较普通厌氧消化能源转化率提高18%。此外,处理A在前24小时内的平均氢气浓度达到20%,甲烷浓度在50%-60%范围内,可燃气成分较普通厌氧消化极大的提高,更便于后续利用。第二组以餐厨垃圾为底物,采用1L的发酵瓶进行,为期20天。设置三个处理:A(基于MEC的厌氧消化)、B(在MEC条件下120小时后普通厌氧消化)和C(普通厌氧消化)。结果显示:处理A产气中氢气、甲烷气浓度最高为95%,平均浓度达到82.7%。此外,处理A累积氢气产量和COD去除率分别为4.3 m3/m3和82%,在处理B中分别为2.25 m3/m3和74.6%,而处理C中则仅为0.2 m3/m3和68%。4、通过模拟试验和模型构建探索在全国范围内以太阳能作为MEC电力供应和厌氧消化保温热源的可行性,为基于MEC的厌氧消化工程化应用提供理论依据和技术支撑。研究分为三部分:第一部分研究以太阳能作为MEC的电力来源的可行性,结果显示:将多个MEC进行串联连接形成一个大MEC组合,,单个MEC的电压可达到最适电压(0.2~1.3 V),多个大MEC组合再以并联形式连接到太阳能电池,可成功实现MEC的运行。第二部分研究模拟了建立在地下的厌氧消化系统与有太阳能电池的日光温室之间的能量转化利用过程。在该系统中日光温室内部为厌氧消化系统进料口,通过太阳能加热为厌氧消化保温,同时MEC作为进入厌氧消化前的一个独立单元。第三部分研究通过软件模拟探讨了在全国范围内,以太阳能作为MEC电力供应和厌氧消化保温热源的能源回收利用系统运行的可行性。