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木质纤维原料转化生物燃气是发展可再生能源的重要选择,热纤梭菌是优良的纤维降解菌,为纤维原料直接发酵产氢提供了一种潜在途径。本文就秸秆发酵产氢气和甲烷的过程加强和放大进行了研究,取得主要成果如下:
1)对比5株热纤梭菌发酵产氢过程,发现热纤梭菌7072具有最强的纤维降解产氢能力。当以微晶纤维素为底物时,产氢水平最高达158.9 mL/g-cellulose,摩尔氢气产率达到1.2 mol H2/mol-glucose,高产氢水平与热纤梭菌7072发酵过程较少的乳酸和乙醇合成及较低的糖积累有关。氢气产率随着秸秆粒径的降低而相应提高,采用15 mm粒径的秸秆作为发酵原料,氢气产率达37.4 mL/g-cornstalk,与1 mm粒径秸秆发酵产氢时相比降低4.8％,但后者粉碎过程的能耗为前者的12倍。考虑到粉碎过程相对较低的能量输入,后续研究采用较大颗粒秸秆进行发酵产氢。
2)建立了碱处理结合秸秆两步发酵产氢新工艺(即氢发酵Ⅰ——碱水解——氢发酵Ⅱ),总氢气产率达到74.4 mL/g-cornstalk,秸秆总利用率达到72.8％；产氢发酵液和碱水解液进一步用于产甲烷,总甲烷产率达到205.8 mL/g-cornstalk,碱处理结合秸秆两步发酵产氢耦合甲烷发酵过程的总能量回收率达到70.0％。
3)在10 L连续搅拌反应器(Continuous stirred tank reactor,CSTR)中进行碱处理结合两步发酵产氢工艺的放大,底物浓度在10～20 g/L时搅拌转速设定在80 r/min发酵产氢较好,底物浓度在30～50 g/L时搅拌转速设定在100 r/min发酵产氢较好；在30 g/L秸秆浓度下,最大产氢速率为218.5 mL/L·h(9.1 mmol/L·h),总氢气产率达到58.0 mL/g-cornstalk,容积产氢率达到0.55～0.57 L/L·d,秸秆总利用率为72.3％。在10 L升流式厌氧污泥床(Up-flow anaerobic sludge bed,UASB)中进行产氢发酵液连续产甲烷,在15.0 g-COD/L·d的最适有机负荷下,UASB容积产气率达4.6 L/L·d,COD去除率达到83.3％,总甲烷产率达200.9 mL/g-cornstalk。反应器规模上秸秆联产氢气和甲烷过程的总能量回收效率达到67.1％。