添加剂存在下餐厨垃圾厌氧发酵产氢条件优化研究

同济大学环境科学与工程学院博士学位论文添加剂存在下餐厨垃圾厌氧发酵产氢条件优化研究姓名：曹先艳申请学位级别：博士专业：环境工程指导教师：赵由才20080801摘要摘要在化石能源逐渐耗竭中，能源问题的重要性越来越突出，而清洁燃料一氢能逐渐成为人们研究的热点，尤其是以富含碳水化合物的废弃物质为基质进行的生物产氢，由于在产生清洁能源的同时实现废弃物的治理和减排而受到广泛关注。本文针对餐厨垃圾厌氧消化产氢的特点，主要研究了添加添加剂以后，厌氧消化体系条件的优化，包括添加剂的最佳添加比例、反应温度、氨氮浓度、含盐量等；考察了不同接种污泥条件下，微生物种群演替过程；测定了水解酶活性，探讨了复合碱剂促进产氢过程的机理。主要研究成果如下：(1)添加表面活性剂与酶的混合物能够抑制产甲烷菌等耗氢菌的生长，提高体系氢气的产量。添加剂的最佳加入量为接种污泥投加量的4％，试验获得的最大氢气浓度为50％，最大氢气产量为114．5mLH2／gVS。(2)提高温度能够明显加快氢气产生的速度并缩短停滞时间，从而能够减少反应器的体积：对三种温度下氢气累积体积浓度采用Gompertz方程进行数学模拟结果表明：反应温度为50℃的体系，几乎没有氢气产生；35℃条件下，反应停滞时间仅为4．3h，比25℃时缩短9．7h，而且35℃可获得7．09mL／h·gVS的产氢速率。此外，产生相同的氢气，35℃条件比25℃下需要的时间缩短了大约70h，因此实际应用中，应该选择35℃作为反应的温度。同时，要控制体系初始含水率90％左右。(3)以微生物生长动力学为基础，推断出氢气含量的变化与产氢菌的变化之间存在dr，：k譬的比例关系，其系数七为产氢菌的产氢活性的表征。并通过讲讲试验进行模拟得出表示产氢细菌的比增殖速率及衰减常数的系数‰=0．0467，如=0．0258及产氢菌产氢过程迟缓期、指数期、稳定期、衰亡期的k分别为0．314、，，y0．314、0．000、一0．782。并且，也可根据≥来判断产氢菌生长的各个阶段及体系班中微生物菌群的优势程度。(4)在常温下，餐厨垃圾的酸化是一个快速的过程，如果以pH为指标，那么经过一天pH就降低到4．5左右；含水率在2～3天的时候降到最低，然后升高，相应地，VFA的浓度也在第三天达到最高值8g／L，然后逐渐下降。根据酸摘要化餐厨垃圾的产氢结果可得出，初始pH值是影响餐厨垃圾厌氧消化产氢的重要因素，将初始pH调节到9．0可显著提高氢气的产量。(5)当Na+浓度为5．03--一14．41g／L时，体系的比氢气产率大大提高，其中，当Na+浓度为9．83和14．41g／L时候，最大的比氢气产率为154．8mLH2／gVS，但当N矿浓度超过20g／L时，氢气的产率则迅速下降，因此，在试验中调节pH的过程中，要实时监测Na-浓度。在一定浓度范围内(3．58g／L～7．89g／L)，氨氮对产氢有促进作用，当氨氮浓度为6．24g／L时，得到最大的氢气产率126．8mLH2／gVS，当氨氮浓度大于7．89g／L时，对产氢有抑制作用；当氨氮浓度为5．93g／L时，反应的延迟时间达NT13．64h，因此综合考虑氢气产量和效率，应该控制体系的氨氮浓度低于6g／L。(6)不同微生物来源下餐厨垃圾厌氧消化产氢过程是不同的，其中，好氧污泥是最好的产氢微生物来源，而颗粒污泥由于在厌氧条件下驯化，其中的甲烷菌活性很高，产氢菌数量很少，矿化垃圾与餐厨垃圾混合后的产氢效果不佳，矿化污泥在与污泥以及餐厨垃圾共同混合的体系，氢气的产量大大提高。PCR-DGGE结果分析表明，在生物制氢反应过程中，矿化污泥体系和矿化垃圾体系中微生物群落经历了明显的演替过程，而污泥体系中产氢茵属几乎没有变化，一直存在，是一些生态幅比较广泛的种属。(7)加入添加剂的体系，水解酶的相对活力有了很大提高，促进了餐厨垃圾厌氧消化中的水解过程，同时，抑制了耗氢菌(主要为产甲烷菌)的生存，还为产氢过程提供了pH缓冲作用，提高了氢气的产量。关键词：餐厨垃圾，生物产氢，添加剂，条件优化，微生物llAbstractAbstractTherecentriseinoilandnaturalgaspricesandtheirgraduallyexhaustdrovetheconcernstowardalternativeenergyresource-hydrogen,especiallyhydrogenproducedfromwastewaterorsolidwastewithrichcarbohydratebyanaerobicdigestion,fornotonlythehydrogenWasproduced,butalsothewastewasreducedduringthisprocess．Inthisarticle，addi