论文部分内容阅读
在发酵制氢过程中，由热力学限制引起的“发酵障碍”现象使发酵过程中产生的液相末端发酵产物如挥发性脂肪酸和乙醇无法进一步被利用，从而导致氢气产量远远低于理论值。然而，这些液相末端发酵产物中却蕴含着大量的氢元素，如不加以利用，是对原材料的极大浪费。而微生物电解池(microbial electrolysiscell，MEC)的深度制氢，利用附加的额外电压可实现发酵末端产物的进一步降解，从而克服“发酵障碍”现象。然而，其原料来源问题却限制了MEC的进一步发展。本文通过耦合厌氧折流板反应器(anaerobic baffled reactor, ABR)和微生物电解池，利用四格室ABR反应器降解高浓度有机废水。通过正交实验调控ABR出水乙酸的高效积累作为MEC的底物，实现与MEC的生态位匹配;最后在额外电压的催化下克服热力学障碍，使MEC将ABR发酵末端产物进一步降解，从而实现了“发酵障碍”的解除和深度产氢过程。
本研究以厦门集美污水处理厂二沉池活性污泥分别为ABR和MEC提供种泥来源。装置采用四格室ABR反应器和单格室MEC反应器，其中MEC反应器中阳极为生物膜，阴极为涂布有Ni纳米颗粒的不锈钢网，通过恒温控制仪保持温度恒定在35±1℃。获得结论如下：⑴ABR反应器以固定水力停留时间24h，初始进水COD=500mg/L，并逐步提高有机负荷的方式启动。通过每天对进出水COD、pH、ORP、碱度、产气量和挥发酸含量的监测，调控进水碱度值。最后经过约35天ABR进入稳定阶段，COD去除率高达95％以上，说明利用该方法可较快实现ABR的启动，同时可获得较高的有机物去除率。但出水挥发酸浓度仍在268mg/L，说明厌氧“发酵障碍”现象确实存在。⑵通过设计三因素三水平正交实验，考察C/N、pH和2-溴乙酸磺酸盐(BES)浓度对ABR出水乙酸积累的影响。从极差和因素水平均值角度分析，研究表明对ABR产乙酸影响最大的因素为BES浓度，其次为C/N，最后是pH值的影响。最终获得强化ABR产乙酸的最优工艺参数为:pH=7.0，C/N=44和BES=20mmol/L。最后以该工艺参数运行ABR后，获得发酵出水中乙酸浓度最高可达1031.12mg/L。⑶ABR-MEC耦合系统，以强化产乙酸的ABR发酵出水为底物，运行含Ni催化剂的不锈钢网阴极，生物膜阳极的单室MEC反应器。在稳压直流电源附加0.6V的额外电压下，在稳定运行5个周期后（5天一个周期），最后可获得2.78±0.11 mlH2/mg·COD的氢气产率、1.31±0.04m3H2/m3·d的氢气产量和138.6±3.1％的能量效率，说明以ABR发酵出水作为MEC的底物可实现制氢过程以解决“发酵障碍”问题。⑷利用PCR-DGGE技术，分析稳定运行的ABR-MEC耦合系统中优势菌群的差异性分布。通过Quantity one软件对DGGE图谱进行相似性分析，发现MEC生物膜虽然从MFC中富集，但是经过一段时间运行后，两者优势菌群的相似性系数仅为25.9％;结合聚类树分析两者可归属于同一族群，说明MEC的微生物来自于MFC，但随着工况的改变，优势菌群仍存在差异。同时ABR各个格室由于有机负荷、碱度、pH和代谢产物的不同，其优势菌群也存在较大差异，结合Genebank序列比对结果进行同源性分析，具体表现为ABR格室1和格室2中以梭菌属为主，格室3和格室4以甲烷氧化菌和固氮弓菌属为主;MFC中的优势菌以变形菌属和甲基杆菌属为主，MEC中的优势菌则主要以假单胞菌、希瓦式菌和泛菌属为主。