厌氧发酵过程强化产氢的试验性研究

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目前我国餐厨垃圾年产量较大,且资源化处理较低,餐厨垃圾废水中有机物、糖分含量较高,是厌氧发酵生产氢气的宝贵资源。但目前厌氧发酵产氢工艺中普遍存在的耗氢现象严重、氢气产率低等问题(昌盛,2012、陈银广等,2009、韩成付,2013、罗衎等,2014),无法大规模工业化生产。因此本课题旨在以葡萄糖配比的模拟餐厨废水为发酵液进行厌氧发酵产氢试验,研究了发酵罐顶空气体压力、气体成分及浓度对氢气产率的影响。从氢分压、气体溶解度和气体浓度变化的角度重点分析各个因素对有机质降解途径、产氢产酸反应、耗氢反应的影响机理,并对工艺参数进行优化,以得到较高的氢气产率。  顶空气压试验结果表明,发酵罐顶空一定负压条件下可以强化厌氧发酵产氢的效率。负压的存在及时的移出了产生的氢气,不仅有效的强化了产氢产乙酸过程,且抑制了微生物耗氢产乙酸反应,从产氢与耗氢两个方面均强化了氢气累计过程。当发酵罐内压力在0.04-0.06MPa时,负压对氢气产量有非常明显的促进作用,氢气累计产量比常压对照组提高3-4倍,达到50ml/g葡萄糖。但顶空气压低于0.04MPa后,氢气积累产量增长速度明显放缓,分别为56.7ml/g和62.8ml/g葡萄糖。葡萄糖水解代谢途经也受顶空气压影响很大,低压组发酵液末端产物以乙酸为主,乙酸含量高达1600mg/L,而高压组中乙酸含量则低于500mg/L,丁酸含量是低压组的3-4倍,表明负压有助于发酵水解反应向乙酸型发酵转移,对产氢产乙酸反应有促进作用。  而曝气试验则证明了顶空不同气体成分及浓度对微生物发酵产氢过程及途径的影响,初步得出了不同气体曝气对产氢耗氢的影响规律。浓度分别为40%与80%的CH4、CO2曝气情况下氢气积累量最高达到66.7ml/g、60.5ml/g葡萄糖,远高于常规试验。而高浓度氢气曝气下抑制产氢,且在CO2的存在下刺激耗氢产乙酸反应;降解途径上,低浓度CH4曝气有助于乙酸的产生,浓度升高伴随丁酸型发酵产生。高浓度CO2曝气主要以丁酸型发酵为主,低浓度CO2与中高浓度H2曝气条件下有机物水解以丙酸为主,无法顺利进行产氢产乙酸、产氢产丁酸的反应,且易作为乙酸生成的原料刺激自身消耗。
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