套筒型厌氧消化—微生物电解耦合反应器产甲烷效能分析

【摘要】：剩余污泥的资源化利用一直以来就是水处理领域关注的热点问题，从污泥中回收能源物质具有良好的市场前景和经济价值，但是目前污泥产甲烷工艺中甲烷产生的速率较低，为了进一步提高其产甲烷速率，本课题通过采用套筒型厌氧消化-微生物电解池（MEC-AD）耦合反应器构型，利用微生物电解系统产生的氢气来刺激嗜氢产甲烷菌的生长，由于嗜氢产甲烷菌和嗜乙酸产甲烷菌在反应器中共同作用产甲烷，因此该方法可以进一步促进污泥厌氧消化产甲烷速率的提高，最终建立起微生物电化学与厌氧消化相耦合的剩余污泥高效产甲烷体系，为实现剩余活性污泥快速稳定的能源回收提供了新思路。 实验首先利用乙酸钠为底物对单室MEC反应器进行启动，待反应器达到稳定状态时向反应器中通入剩余污泥发酵液，运行四个周期后，观察产气情况和发酵液中有机质的降解情况。以发酵液为底物的单室MEC反应器可以达到15.5mL/d的氢气产量，整体能量效率在120%左右，总糖的去除率达到60%以上，挥发酸的去除率达到63%。通过这一阶段实验的成功运行，可得出以下结论，一是微生物电解池能够利用发酵液有效地产生氢气，二是其阳极菌群能够高效的降解发酵液中的有机质，对复杂底物有较强的处理能力。 在MEC-AD耦合反应器内，阴极产生的氢气可以被嗜氢产甲烷菌利用生成甲烷，这一过程可以促进单纯厌氧消化产甲烷效果。为了避免阴极产生的氢气，被阳极菌群利用导致其在阴阳极之间内循环而产生损失，影响氢气转化为甲烷的效率，本实验中采用套筒型结构，将阴阳分开以减小损失，重点研究阴极单独在耦合反应器产甲烷过程中起到的作用。首先以葡萄糖为底物对MEC-AD耦合产甲烷反应器进行启动，反应器进入稳定运行后和对照组AD相比较，其产生甲烷速率是0.044m3CH4/m3d是对照组（0.012m3CH4/m3d）的四倍，葡萄糖的去除率达到90%以上。之后更换底物为发酵液，MEC-AD耦合反应器的甲烷产量达到180mL/d，其甲烷产生速率能够达到0.144m3CH4/m3d，接近于对照组（0.096m3CH4/m3d）的1.5倍。同时，MEC-AD耦合反应器对有机底物的去除效果较明显，能够使总糖去除率达到95%以上、蛋白质去除率达到80%以上、COD的去除率达到约50%，最后，当耦合反应器呈现开路状态后，其产甲烷的速率下降到0.012m3CH4/m3d，同时对底物的去除效果也明显下降，更加证明微生物电解池对厌氧消化产甲烷的辅助作用。 通过实验综合分析可得出，剩余活性污泥发酵液通过套筒型MEC-AD反应器不仅能够稳定高效的产生甲烷同时其有机质能够得到良好的去除，为剩余污泥资源化的发展提供了良好的实际意义。 【关键词】：剩余污泥发酵液 MEC-AD耦合反应器 产甲烷
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ221.11
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 研究背景及目的意义10-11
• 1.1.1 课题来源10
• 1.1.2 课题研究背景10
• 1.1.3 课题研究目的10-11
• 1.1.4 课题研究意义11
• 1.2 剩余污泥资源化处理技术11-13
• 1.3 微生物电解池的研究13-16
• 1.3.1 微生物电解池的发展历程及原理13-14
• 1.3.2 MEC 产氢技术的优势与局限14-15
• 1.3.3 MEC 反应器的研究进展15-16
• 1.4 厌氧消化技术研究进展16-17
• 1.4.1 厌氧消化技术基本原理与应用现状16
• 1.4.2 厌氧消化工艺局限因素与抑制因子16-17
• 1.4.3 我国厌氧消化技术发展现状与存在问题17
• 1.5 厌氧消化与微生物电解池耦合工艺的提出和研究现状17-20
• 1.5.1 厌氧消化与电化学系统耦合思想的提出17
• 1.5.2 MEC-AD 耦合反应器的国内外研究现状17-20
• 1.6 研究内容及技术路线20-22
• 1.6.1 主要的研究内容20
• 1.6.2 技术路线20-22
• 第2章 实验材料与方法22-27
• 2.1 污泥发酵液来源与性质22
• 2.2 实验装置22-23
• 2.2.1 单室 MEC 实验装置22-23
• 2.2.2 厌氧消化-微生物电解耦合（MEC-AD）实验装置23
• 2.3 实验方法23-25
• 2.3.1 单室 MEC 反应器产氢效能分析实验方法23-24
• 2.3.2 套筒型厌氧消化-微生物电解耦合反应器产甲烷效能分析实验方法24-25
• 2.4 实验分析项目及其测定方法25-27
• 2.4.1 主要检测指标25
• 2.4.2 计算公式25-27
• 第3章 微生物电解池利用剩余污泥发酵液产氢效能分析27-35
• 3.1 引言27
• 3.2 单室 MEC 反应器的启动效果27-28
• 3.3 单室 MEC 反应器的运行效果28-33
• 3.3.1 单室 MEC 反应器运行阶段电流变化情况28-29
• 3.3.2 单室 MEC 反应器运行阶段对底物的去除效果29-32
• 3.3.3 单室 MEC 反应器运行阶段 pH、电导率的变化32-33
• 3.4 单室 MEC 反应器的产氢效能分析33-34
• 3.5 本章小结34-35
• 第4章 套筒型 MEC-AD 耦合反应器的产甲烷效能分析35-56
• 4.1 引言35
• 4.2 套筒型 MEC-AD 耦合反应器启动35-43
• 4.2.1 套筒型 MEC-AD 耦合反应器启动阶段产甲烷效果35-37
• 4.2.2 套筒型 MEC-AD 耦合反应器启动阶段底物降解效果37-42
• 4.2.3 套筒型 MEC-AD 耦合反应器启动阶段电流变化及性能分析42-43
• 4.3 套筒型 MEC-AD 耦合反应器运行效果43-51
• 4.3.1 套筒型 MEC-AD 耦合反应器利用剩余污泥发酵液产甲烷效果43-45
• 4.3.2 套筒型 MEC-AD 耦合反应器对剩余污泥发酵液降解效果45-50
• 4.3.3 套筒型耦合反应器运行阶段电流变化及性能分析50-51
• 4.4 微生物电解对厌氧消化的影响51-54
• 4.4.1 甲烷产量的变化51-52
• 4.4.2 底物降解变化情况52-54
• 4.5 本章小结54-56
• 结论56-57
• 参考文献57-63
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果63-65
• 致谢65

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