水稻秸秆厌氧发酵制氢技术研究

以水稻秸秆为研究原料,用牛粪为接种物,采用稀硫酸预处理方法来提高秸秆纤维素的降解率,从而提高其发酵产氢的能力,并且进一步考察了发酵初始pH、发酵温度、牛粪与秸秆的质量比和底物浓度四个条件对发酵产氢的影响。实验结果表明:在接种100g/L牛粪的条件下,以1.8%的硫酸加热30min预处理秸秆产氢效果最佳,为19.64mL/gTS,是未经过预处理的秸秆产氢量(0.1mL/gTS)的196倍,粗纤维含量由未处理前的36.7%下降到酸处理后的31.5%。在pH8.0、温度为37℃、牛粪与秸秆质量比为2.5∶1、底物浓度为50g/L时的产氢效果最好,累计产氢量为29.14mL/gTS,此时生物气中没有检测到甲烷气体,氢气浓度达到63.88%。     

稀酸水解玉米秸秆两步发酵联产氢气和甲烷

在批式试验中以牛粪堆肥为天然产氢菌源,分别以蔗糖和稀酸水解玉米秸秆为底物,通过厌氧发酵考察不同牛粪堆肥处理方式对发酵产氢性能的影响,并在此基础上构建了稀酸水解玉米秸秆两步发酵联产氢气-甲烷体系。当以蔗糖为底物时,牛粪堆肥处理方式对产氢影响不显著,产氢量均较高;当以稀酸水解玉米秸秆为底物时,室温浸泡处理的牛粪堆肥产氢效果最好,氢气最大产量达到213.8 m L/g TS。以稀酸水解玉米秸秆产氢发酵液为底物进行甲烷发酵,使秸秆的综合能量回收率达到41.2%,较单一发酵产氢时的能量回收率13.2%显著提高。     

天然厌氧微生物氢发酵生产生物氢气的研究

以牛粪堆肥作为天然厌氧微生物菌种来源处理含蔗糖和淀粉的模拟有机废水,通过厌氧氢发酵产生生物氢气,同时使废水得到净化处理.在实验条件下,生物气中氢气浓度可达61%,产物中无甲烷气生成.以蔗糖为底物时,最佳初始pH值6.0,最大产氢能力为146mL/g;以淀粉为底物时,最佳初始pH值7.5,最大产氢能力为166mL/g,最佳底物浓度均为5g/L.模拟废水中COD去除率可达40%~60%.     

接种物种类对玉米秸秆沼气干发酵过程的影响

以玉米秸秆为原料,分别以液态牛粪沼气发酵的剩余物及玉米秸秆沼气干发酵的沼渣为接种物进行沼气干发酵试验.秸秆与接种物之比(F/I,基于可挥发性固形物VS)分别为1、3、5,研究了接种物种类和接种量对沼气干发酵过程的启动速度、累积产气量以及微生物菌群结构变化等的影响.试验结果表明:接种液态牛粪沼气发酵剩余物的发酵罐的启动速度及累积产气量均明显优于以玉米秸秆沼气干发酵沼渣为接种物的发酵罐.以液态牛粪沼气的沼渣做接种物时,接种量F/I=1、3、5时的总产气量差异不显著(p0.05);用秸秆干发酵沼渣做接种物时,F/I=1的发酵罐能正常启动,但累积产气量为66.9 L·kg-1(以VS计),比接种液态牛粪沼气发酵剩余物的发酵罐低26%.而F/I=3和5的发酵罐则由于过度酸化而导致发酵失败.     

秸秆发酵产氢的影响因素研究

以加热预处理的厌氧活性污泥为接种物,以秸秆（稻草、麦杆）为发酵底物进行微生物产氢实验,研究了不同秸秆粒径、纤维素酶用量、预处理方法、发酵液pH值对秸秆发酵产氢速率以及产氢气量的影响.其中颗粒粒径为170 μm的稻草经过NaOH预处理,按照底物与纤维素酶用量1∶1的比例酶解,进而发酵产氢的单位总产氢量为90.5 mL/g,最大单位产氢速率为0.58 mL/(h·g).     

污泥厌氧发酵产氢的影响因素

污水生物处理过程中产生大量剩余污泥, 通常采用厌氧发酵处理并获取甲烷气体. 产氢产酸是污泥厌氧消化过程中的一个中间阶段. 本研究考察了原污泥和经碱处理的污泥在不同初始pH(3.0～12.5)条件下的产氢效果, 以及污泥性质和污泥浓度等对产氢效果的影响. 结果表明, 当初始pH为11.0时污泥发酵的产氢率达到最大值.采用原污泥发酵产氢时, 在初始pH为11.0的条件下发酵产氢获得的最大产氢率为8.1 mL/g, 而经碱处理的污泥在同样初始pH的条件下发酵产氢可将其产氢率提高一倍左右, 达到16.9 mL/g. 污泥经碱处理后厌氧发酵4d无甲烷产生, 且可有效地降低氢气消耗的速率. 另外, 污泥的VSS/SS值过低时会大大降低污泥的产氢率, 而污泥浓度对产氢率无明显影响.     

利用养殖场废水厌氧发酵生物制氢技术研究

在批式厌氧反应器中,以厌氧消化污泥作为天然产氢菌源,通过养殖场废水的厌氧发酵生产氢气,考察了厌氧污泥和碳氮营养物质对养殖场废水产氢的影响,并对液相产物的分布、产氢动力学进行了分析.试验分为4个处理.结果表明,加入营养物质接种污泥的养殖场废水氢气含量、累积产氢量和单位COD氢气产量最高可达到50.65%、334.80mL和287.10mL/g.而未接种污泥的原始养殖场废水累积产氢量和单位COD氢气产量仅为59.24mL和67.05mL/g.污泥和碳氮营养物质对产氢能力均有显著地促进作用,加入碳氮源后微生物群促进了原养殖废水有机物的氢的形成.液相末端产物中,乙酸、丁酸占总挥发酸的61%～86%,产氢过程属于典型的乙酸-丁酸型发酵.总挥发性酸含量的提高,其产氢能力也增大. Gompertz模型能够很好地拟合其产氢过程.     

中温和高温厌氧生物产氢反应器连续运行的研究

采用2个厌氧生物产氢反应器分别在中温(37℃)和高温(55℃)下连续运行.以河底沉积物接种,葡萄糖为基质,在CSTR中成功实现了连续中温厌氧产氢,最高产氢量达8.6L/(L·d),基质产氢摩尔比(H₂/葡萄糖)为1.98.以厌氧产甲烷颗粒污泥接种,蔗糖为基质,在UASB反应器中成功实现了连续高温厌氧产氢过程,最高产氢量达6.8L/(L·d),基质产氢摩尔比(H₂/蔗糖)为3.6.在高温UASB反应器中培养获得了灰白色的产氢颗粒污泥,平均粒径为0.8～1.2mm,沉速为30～40m/h,电镜观察发现其表层生长大量杆状细菌.对2种产氢污泥的总DNA进行提取和纯化,通过PCR扩增和DGGE分析,发现高温和中温厌氧产氢污泥中的大部分真细菌种类相同,但各自的优势菌种明显不同.     

高温条件下初始pH值对污泥-餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产CH4的影响

污泥-餐厨垃圾厌氧消化产氢产CH₄可将城市有机废弃物转化为可再生能源H₂、CH₄,对实现碳减排发挥着重要作用。通过批式试验探究高温条件下(55±1℃),不同初始pH值对污泥和餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产CH₄的影响。研究结果表明:适度地增加产氢余物的碱度会提高产CH₄效能,而过低的初始pH则抑制了产氢余物产CH₄效能。初始pH=8时,CH₄最高浓度(79.08%)、累积产甲烷量(101 mL/g DS)和最大CH₄生产速率(12.21 mL/d)均达到最大。不同初始pH下,总糖和总蛋白质的降解量跟累积产甲烷量呈正相关,其中总蛋白的降解量及降解率均高于总糖。初始pH=8时,总糖和总蛋白质的降解量及降解率最高,分别为6078 mg/L、55.70%和4710 mg/L、69.67%。不同初始pH值下,产氢余物厌氧消化后的pH都趋于7.5左右。     

不同接种条件下微生物燃料电池产电特性分析

比较了11种不同来源的接种物对微生物燃料电池产电性能的影响,并考察了接种污泥的TCOD和pH值等特性对电池产电情况的影响.结果表明,以华南农业大学资源环境学院新肥室沼气池污泥为接种物的燃料电池产电效果最好,产生的最大电压为0.53V(外电阻为500Ω),最大功率密度达到9.12W/m3.污泥的初始TCOD越高,所产生的电能越多;而pH值在5.6~7.8范围内时,对MFC产电能力的影响不大.通过扫描电镜对阳极表面微生物的观察发现,不同接种物电池阳极富集的微生物存在很大差异,这可能是影响微生物燃料电池产电性能的最主要因素之一.     

不同来源污泥产氢CSTR的启动和运行特性研究

分别利用好氧污泥和厌氧污泥作为厌氧接触制氢系统的接种污泥,以连续搅拌槽式反应器(CSTR)的运行为基础,探讨了不同接种污泥反应器的启动运行特性。反应器在接种量为6 g MLVSS/L、HRT为8 h、系统温度(35±1)℃、初始进水COD浓度为1 000 mg/L,等条件下启动。好氧种泥系统在33 d内达到稳定的乙醇型发酵,乙醇和乙酸之和的质量百分数占液相末端发酵产物总量的80.4%,系统平均产气速率和产氢速率分别达到35 L/d和14 L/d,系统pH值和碱度分别维持在4.7和510 mg/L左右。厌氧种泥系统在27 d内达到乙醇型发酵,乙醇和乙酸之和的质量百分数占液相末端发酵产物总量的84.7%,平均产气速率和产氢速率分别达到9 L/d和2.4 L/d,系统的pH值和碱度分别维持在4.6和630 mg/L左右。     

超声技术在污泥生物产氢中的应用研究

污泥中含有丰富的有机质,为了加速其厌氧消化进程,增加沼气产量,本试验在pH=11.0、P=2.2×105Pa、T=130℃的条件下,对污泥进行30min热消解和30min的超声波预处理,试验结果表明,污泥中的菌胶团结构遭到破坏,固氮酶、脱氢酶、α-淀粉酶等酶的活性得到增强,菌胶团吸附的有机质被释放至溶液中,迅速成为厌氧微生物的营养物被消耗。与对照组相比,可溶解性化学需氧量(SCOD)增加了4.5倍,溶出率提高了350.00%;COD降解率提高了12%,是自然降解率的1.19倍,产氢周期缩短至6.5d,最大产氢率为67.91mL/g(VS),平均产氢率提高到21.6mL/g(VS),是对照组的3.9倍,效果较好。     

不同来源底物对厌氧发酵产氢余物产甲烷影响

通过批式试验将不同来源的污泥与餐厨垃圾进行联合厌氧发酵,研究不同产氢程度的污泥-餐厨垃圾在不同污泥接种量下的产甲烷能力,以寻求产氢余物产沼的最佳条件及有机质转化规律。结果表明:污泥-餐厨垃圾产氢余物的产氢程度与体系产甲烷能力呈正相关,即产氢多余物>产氢少余物>不产氢底物;接种量增大后,体系产甲烷效能降低且各体系间的差异逐渐缩小。30%接种量下的产氢多余物体系产甲烷能力最佳,平均产甲烷速率为0.54 mL/（g·d）,在第27天甲烷占比达到峰值87.04%,有最大累积产甲烷量1659 mL;主要原因是该体系挥发酸降解量大（17565 mg COD/L）,占TCOD降解量（35384 mg/L）的50%。     

新型专性厌氧菌利用葡萄糖进行发酵产氢的实验研究

采用批式发酵法对厌氧产氢菌株Bacteria.P利用葡萄糖发酵,在底物浓度、初始pH值、接种比例等不同培养条件下的产氢能力进行了研究。结果表明:专性厌氧菌P是一种高效产氢的菌株,在葡萄糖质量浓度为10 g/L、初始pH为6.0、接种比例为1∶20时,发酵气体总产量和细胞干重达到最大值,分别为485 mL和0.836 g/L。     

污泥与不同pH值渗滤液联合厌氧发酵产氢分析

以污泥与垃圾焚烧厂渗滤液为原料,通过小瓶批式试验,考察了垃圾渗滤液的添加量以及渗滤液初始pH对联合厌氧消化产氢的影响。结果表明:未添加污泥的渗滤液本身也可以在厌氧发酵过程中产氢。而污泥与垃圾渗滤液联合厌氧发酵,当渗滤液初始pH为5.20时,添加90%的渗滤液体系产氢量最大,为201.58 mL,最大产氢速率也最高,为9.56 mL/h;当初始渗滤液pH为4.47时,最大产氢量出现在渗滤液添加剂量为60%的样品,为57.73 mL,随后减小,但最大产氢速率在添加40%的渗滤液达到峰值,为5.11 mL/h。     

玉米秸秆发酵浸出液模拟废水发酵产氢的放大实验研究

在20L的半连续流发酵罐中,以牛粪堆肥为产氢菌源,按照玉米秸秆发酵浸出液的主要成份配制模拟废水,考察和分析了几个关键环境因素对发酵产氢的影响。结果表明,HRT、C/N、Fe2+浓度和模拟废水浓度对发酵产氢均有不同程度的影响。在本实验条件下,秸秆模拟废水的氢产量、氢浓度和产氢速率分别为11.80mol/kg、56%和8.81L/(L?d),底物转化率大于90%,废水中COD去除率为39.40%。在整个发酵产氢过程,液相主要发酵副产物为丁酸、乙酸和丙酸以及少量的乙醇和丁醇。     

凤眼莲发酵产氢特性的研究

采用加热预处理的厌氧活性污泥为接种物,对凤眼莲进行发酵产氢研究.结果表明,凤眼莲茎叶的发酵产氢能力优于整株凤眼莲,讨论了不同预处理方法和温度对凤眼莲茎叶发酵产氢的影响规律.在凤眼莲茎叶酶水解前采用强碱(NaOH)的预处理方式优于低酸(稀H2SO4),发酵反应温度35℃比55℃更有利于代谢产氢.将凤眼莲茎叶经NaOH预处理和酶解后,控制发酵液pH值为6和温度为35℃时,得到单位产氢量为49.7mL/g,最大产氢速率为0.48mL/(h·g).     

芦苇酶解对氢气-甲烷联产过程微生物群落演替规律的影响

采用10 mg/g纤维素酶R-10预处理芦苇秸秆,研究了酶解预处理对芦苇厌氧产气潜力的影响,分析了氢气-甲烷联产过程中微生物群落结构演替规律. 结果表明:酶解预处理后,芦苇秸秆在产氢阶段的累积产气量和φ(H₂)分别达到42.5 mL/g和52.1%;在产甲烷阶段,累积产气量稳定上升,最高值可达137.5 mL/g,是对照组产气量的5倍. 由扫描电镜(SEM)观察可知,产氢阶段以短杆状和梭状菌为主,产甲烷阶段以长杆菌为主. PCR-DGGE(聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳)分析表明,芦苇在酶解预处理后,其厌氧联产过程中微生物群落呈规律性演替,产氢阶段的优势微生物分别为具有降解纤维素产氢气功能的嗜热纤维素菌Clostridium thermocellum(条带B20)、具有高效产氢潜力的兼性厌氧产气肠杆菌Enterobacter aerogenes(条带B28);在产甲烷阶段,其优势微生物为可利用氢营养途径合成甲烷的产甲烷古菌Methanoculleus bourgensis(条带A3)、Methanoculleus horonobensis(条带A13). 经纤维素酶预处理后,芦苇秸秆厌氧联产的累积产气量、φ(H₂) 提高显著,具有纤维素降解功能的细菌和可利用氢营养途径合成甲烷的古菌为主要优势微生物.      

不同pH下糖蜜废水的厌氧产酸发酵类型及微生物群落结构解析

为寻求厌氧产酸发酵反应器的适宜控制参数和微生物学机制,以ACR(厌氧接触式发酵制氢反应器)为试验平台,通过分阶段调控反应器的pH,考察不同pH下ACR系统的产酸发酵类型和产氢性能,并采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术对微生物群落结构进行了解析.以糖蜜废水为基质,以城市污水厂剩余污泥为种泥,在污泥接种量(以MLVSS计)为3.58 g/L、进水ρ(COD_Cr)为5 000 mg/L、HRT为12 h条件下,分别考察了系统在pH为6.0～6.5、5.5～6.0、5.0～5.5、4.5～5.0条件下的运行特性.结果表明,在pH为4.5～5.0时,系统中以Ethanoligenens harbinense YUAN-3为代表的产氢菌群占优,呈现典型的乙醇型发酵特征,活性污泥表现出的产氢性能最佳,其氢气转化率和污泥的比产氢速率分别为1.9 mol/mol和7.8 mmol/(g·d).在pH为5.5～6.5、5.0～5.5的条件下,Clostridium tyrobutyricum strain A1-3、Propionibacterium sp.B2M2分别成为优势菌群,系统分别呈现出丁酸型发酵、混合酸发酵类型.研究显示,随着pH的改变,系统内的产酸发酵菌群随之发生更迭,在不同pH控制水平下形成不同的顶级微生物群落结构,进而使得系统呈现出不同发酵类型和产氢性能.      

海藻类生物质废弃物的发酵生物制氢研究

在批式试验条件下,以牛粪堆肥为天然产氢菌源,以海带为底物,通过厌氧发酵生产氢气。系统考察了几个重要的营养和环境因素(如底物预处理条件、初始pH值和底物浓度等)对海带产氢能力的影响。结果表明:底物的稀酸预处理在海带的发酵产氢中扮演着重要角色。在初始pH=6.5,乳酸预处理浓度10%,底物浓度20g/L的条件下,海带最大产氢能力为104.40mL/gTVS,最大氢浓度为32.6%,且没有检测到甲烷气体存在。液相中主要发酵末端产物为乙醇、乙酸和丁醇。