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生态环境和能源是人类生存的必要条件,如何平衡二者之间的关系一直是世界研究领域永恒的课题。生态环境是人类生存发展和经济体系运行的根本基础,能源则是推动世界迈向新纪元的绝对要素。目前人类的能源主要来自天然气、石油、煤炭等不可再生资源,且此类能源的开采、提炼、加工、利用等过程,势必对生态环境造成恶劣影响。氢气、甲烷及乙醇等因其可再生、高热值、使用过程无污染等特点,受到能源界的关注。近年来,在诸多制氢、制甲烷及制乙醇手段中,生物发酵法一直备受关注。生物发酵法多以食品废水、厨余垃圾、秸秆等为原料,利用厌氧发酵技术代谢有机基质生成氢气、甲烷及乙醇,该过程不但可以产生新的能量载体,还可以降解污染物,同时达到保护生态环境及获得能源的双重目的。本研究以两相厌氧消化理论为基础,利用CSTR反应器(连续流搅拌槽式反应器)构建2-CSTRs两相厌氧发酵系统,研究制约因素对系统运行效率及生理代谢特征的影响,创新性的引入乙醇回收及外加混合生物酶等环节,研究系统的产能潜力、运行稳定性及生理代谢特征等。在系统运行制约因素的研究方面,实验针对种泥预处理方式及系统进水碳氮比C/N,探讨了 2-CSTRs两相产氢-产甲烷系统的建立及运行特征。研究表明,种泥的预处理方式对反应器运行结果有明显的影响,对比发现,酸化处理(产氢相HyCSTR反应器种泥)—热处理(产甲烷相MeCSTR反应器种泥)(方法①)组的系统COD降解率ηCOD为71.9%,产氢率HPR为16.3 L/d,产甲烷率MPR为7.51 L/d,较好氧曝气(HyCSTR反应器种泥)—兼氧曝气(MeCSTR反应器种泥)(方法②)组的运行效率分别高13.9%、31.4%及20.9%;在启动稳定性方面,方法①表现出更好的系统启动及运行稳定性,且各反应器内生物量更高,生物活性更好。对系统进水C/N的研究中,实验表明HyCSTR反应器中C/N与ηcoD的关系式为:ηCOD=-4E-06x3 + 0.0007x2 + 0.0525X + 23.126(r2=0.9286);MeCSTR 反应器中 C/N 与ηcCD 的关系式为:ηcoD = 5E-05x3-0.0158x2 + 1.4883X + 5.1007(r2=0.9527);C/N 与系统产能率 εT 的关系式为:εT = 0.0003x3-0.106x2 + 11.89x-12.379(r2=0.9903)。综合考虑系统的多方面运行效率,系统的最佳C/N为80。最终在有机负荷OLR为8-32 kgCOD/d.m3 时,系统获得 11.81 molH2/kgCOD,6.67 molH2/molSconsuned;11.61 molCH4/kgCOD,3.97 mo1CH4/molSconsuned。在系统产能潜力的研究方面,实验分别通过改变系统工艺结构及进水成分,研究系统的产能率、运行特征及生理代谢特征。对改变系统工艺结构的研究中,实验在2-CSTRs两相反应系统中增加了 HyCSTR反应器出水乙醇回收及系统尾水再利用环节,研究不同乙醇回收率(ERR)条件下系统的运行及产能情况,以及不同乙醇回收率条件下适宜的尾水再利用方式。研究表明,在不同ERR条件下,MeCSTR反应器MPR(产甲烷率)与ERR呈反比,污泥活性趋于稳定,污泥量则有明显下降趋势;当ERR为80%、系统OLR为24 kgCOD/m3.d时,两相系统的产能率εT最高,但基于分离乙醇时所消耗的能量,该ERR并不是获得高εT的最佳选择,ERR为50%为最佳选择。当以出水回流及出水回收作为系统出水的再利用方式时,在系统ERR为0%及20%条件下,出水回收方式能获得更高的系统εT;当系统ERR为50%时,出水回收方式与出水回流方式的系统产能率相当;当系统ERR为80%时,出水回收方式获得的系统εT更低。对改变系统进水成分的研究中,实验利用发酵法制备混合活性生物酶,并通过人为向反应系统添加不同比例的生物酶,研究混合活性生物酶投加比例(APE)、投加方式、生物酶降解负荷(DLE)对厌氧发酵系统产能的影响。研究表明,混合生物酶溶液的投加可在一定程度上加快系统启动进程,提高系统运行效率,并可减缓OLR骤增对系统的冲击;在系统OLR较高水平下,APE越接近投加峰值,系统的ε提升幅度越小;在连续流投加、分批次投加及一次性投加三种生物酶投加方式中,以连续流投加方式的系统稳定性最好、目标代谢产物产率最高;分批次投加方式总体而言与连续流投加方式的运行结果相似,但系统运行会出现阶段性波动;一次性方式投加会使系统产生频繁且较大幅度的波动,对系统运行稳定性影响较大;在DLE对系统运行的影响方面,当DLE大于0.67 kgCOD/g时,HyCSTR反应器为乙醇型发酵,MeCSTR反应器代谢液相产物能力较好;当DLE为0.5 kgCOD/g时,HyCSTR反应器为丁酸型发酵,MeCSTR反应器内丙酸及戊酸出现积压;当DLE为0.4 kgCOD/g时,HyCSTR反应器呈现非典型发酵类型,无明显占优势液相产物,产气及产氢率较低。在对上述实验过程对系统各相反应器生理代谢特征的研究方面,以往研究表明,产甲烷相对产酸相各液相末端产物的转化速率为:乙醇>戊酸>丁酸>乙酸>丙酸,因此,系统HyCSTR反应器的代谢类型对MeCSTR反应器具有非常重要的意义。产氢相共有乙酸型发酵、乙醇型发酵、丁酸型发酵、并酸性发酵等四种主要发酵类型,实验表明,当温度(35～36℃)、pH(4.5～5)、HRT(6h)、DLE(0.67～2 kgCOD/g)等运行参数适宜时,HyCSTR反应器表现为乙醇型发酵,该发酵类型以乙醇及乙酸为主要末端发酵产物、运行稳定、可同时获得较高的HPR及EPR。当HyCSTR反应器稳定表现为乙醇型发酵时,MeCSTR反应器运行稳定、MPR相对最高,但在HyCSTR反应器代谢类型过渡期间,MeCSTR反应器出现各种脂肪酸的累积,运行稳定性下降;当HyCSTR反应器发酵类型为丁酸型发酵时,MeCSTR反应器运行稳定,MPR较高,但对底物转化率降低,甚至出现丙酸及戊酸的积压现象。