玉米秸秆厌氧发酵生物制氢放大实验研究

【摘要】： 能源短缺和环境污染是新世纪人类所面临的巨大挑战。与其他传统的能源燃料相比，氢气具有能量密度高、热转化率高、输送成本低、燃烧时只生成水、无二次污染等诸多优点。在众多的制氢方法中，生物质厌氧发酵制氢技术以其来源于微生物自身的新陈代谢条件下即可进行，而且可利用工农业废弃物为制氢原料，既实现了废弃物资源化，而且成本低廉，所以厌氧发酵生物制氢技术是一种发展前景广阔的环境友好型制氢新方法，具有良好的应用前景。 本文在批式实验和小型放大实验研究成果的基础上，以农业废弃物玉米秸秆为产氢原料，以牛粪堆肥为产氢菌源，在30立升规模的混合式制氢反应器中通过厌氧发酵产生氢气，取得了有意义的研究结果。结果表明： 1．以牛粪堆肥作为天然厌氧微生物来源，采取先煮沸菌源溶液15min，接着曝气2h的预处理方法，产氢能力达到3.5molH_2／mol蔗糖。用蔗糖和玉米秸秆的混合物作为菌种培养基质，以菌龄为18个小时的菌种作为种子源接种到生物反应器中，菌种的延迟时间大大缩短为4个小时。玉米秸秆经过爆破、浸泡、酸解的预处理方式，比产氢速率最高达到为220ml／g秸秆，约是未处理玉米秸秆产氢能力的47倍。 2．根据发酵液有机负荷COD的变化，为了维持玉米秸秆被降解为有机物和有机物转化为氢气的平衡，在玉米秸秆将被完全降解时即补充新鲜的物料，以满足菌种的代谢平衡，同时维持较高的产氢速率。所以我们确定进料方式为半连续方式，为防止营养物质被消耗殆尽每隔12个小时进料一次，即物料停留时间为12小时，并及时地移走代谢产物以保证菌种的良好生长条件，延长菌种稳定期，稳定期菌种的最高浓度为3.81g／1。 3．得到30立升生物制氢反应器中适宜控制参数：反应温度为36±1℃、反应pH值5.0～5.2、搅拌转速为100r／min、最佳秸秆浓度范围为12～15g／l、进料时间间隔12h。在最佳工艺条件下可持续产氢，最高产氢速率达到433ml／(1×h)，最高比产氢率为220ml／g秸秆，生物气中最高氢浓度61％，实验效果良好。检测结果显示发酵类型为丁酸型发酵。 【关键词】：生物制氢 厌氧发酵 牛粪堆肥 玉米秸秆 放大实验
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TQ116.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-24
• 1.1 选题背景10-13
• 1.2 生物制氢技术的发展及研究现状13-15
• 1.3 生物制氢技术的机理和方法15-20
• 1.3.1 光合法生物制氢技术17-18
• 1.3.2 发酵法生物制氢技术18-20
• 1.3.3 两种生物制氢方式比较20
• 1.4 发酵法生物制氢底物的研究现状20-22
• 1.5 本课题的研究意义22-23
• 1.6 本文的研究思路23-24
• 2 实验方案设计24-32
• 2.1 实验原料24
• 2.2 主要仪器24
• 2.3 实验装置及工艺流程24-26
• 2.4 实验方法26-32
• 2.4.1 菌种的富集和培养26
• 2.4.2 玉米秸秆预处理方法26
• 2.4.3 运行操作26
• 2.4.4 实验分析项目和方法26-32
• 3 种子发酵罐特性的研究32-35
• 3.1 菌种的富集、培养和驯化32-33
• 3.2 培养基质和菌龄对产氢延迟时间的影响33-35
• 4 放大实验研究结果和讨论35-50
• 4.1 秸秆的预处理方式对产氢能力的影响35-37
• 4.2 搅拌速率对累积产氢量的影响37-38
• 4.3 底物浓度对累积产氢量和产氢能力的影响38-39
• 4.4 有机负荷 COD的变化对进料时间的影响39-41
• 4.5 菌种的生长曲线及 PH的变化41-43
• 4.6 发酵介质的流变特性43-45
• 4.7 产氢微生物的代谢途径45-49
• 4.7.1 氢气浓度和产氢速率随时间的变化46-47
• 4.7.2 液相发酵产物的液相代谢途径47-49
• 4.8 放大实验与5立升小型实验的结果比较49-50
• 5 结论50-51
• 致谢51-52
• 参考文献52-57
• 附录57

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