厌氧发酵产氢反应器研究进展3

随着生物制氢技术的迅速发展,各种新型厌氧反应器不断出现。为了更好更快实现生物产氢的产业化,许多学者及工程技术员对生物制氢反应器进行研究和设计。本文综述了产氢反应器的发展及生物制氢反应器连续流稳定运行的工程控制参数,比较了这些系统的启动特点及存在的问题,最后展望了生物产氢研究领域反应器发展及这些系统的应用前景。     

序批式光生物反应器中光合细菌跨膜传输及产氢特性

以沼泽红假单胞菌CQK-01为实验菌种,研究了序批式光生物制氢反应器不同初始底物浓度和初始pH值对光合细菌葡萄糖跨膜传输速率、细胞膜渗透性及产氢性能的影响,计算了光合细菌细胞膜对葡萄糖的渗透系数。结果表明光合细菌细胞膜对底物渗透性及传输速率的影响随菌体生长环境及时间而异;在初始底物浓度较低时,葡萄糖最大跨膜传输速率随初始底物浓度的增大而增大,并在75mmol.L-1时取得最大值,而不同初始底物浓度下光合细胞膜对葡萄糖的最大渗透系数都约为250cm3.(gDW)-1.h-1;但高底物浓度下葡萄糖跨膜传输速率减小,最大渗透系数在150mmol.L-1时仅为116cm3.(gDW)-1.h-1;当培养基初始pH值为7.0时,光合细菌细胞膜对葡萄糖的渗透性最佳,葡萄糖跨膜传输速率最大为9.74mmol.(gDW)-1.h-1;实验工况下光合细菌平均产氢速率最大为0.26mmol.L-1.h-1,产氢得率最高为0.63molH2.(molglucose)-1。     

玻璃纤维固定化光合细菌连续产氢实验研究

制作了一种玻璃纤维固定化光合细菌连续产氢反应器,研究了光合细菌的固定化过程及其产气特性,考察了底物中葡萄糖浓度、进料流速以及不同光源对细菌产氢的影响。实验表明,该反应器的最佳产气条件为:LED光源光强2 000 lux,葡萄糖浓度6 g/L,进料流速4 mL/min,产氢速率为61 mL/(h·m~2)。玻璃纤维既能增大光能的吸收量,又能增加光合细菌的生物量,从而能提高底物和光能利用率,获得较高的产氢效率。     

生物膜厚度对膜曝气生物膜反应器硝化性能的影响

在设定的膜内压力下(2 k Pa)启动并运行膜曝气生物膜反应器(MABR),对生物膜生长过程中的硝化性能及生物膜组成变化进行了分析。实验结果表明,在生物膜厚度增长到(293.3±5.8)μm的过程中,生物膜内的总氧通量先增加后减少,最高可达21.3 g O2?m?2?d?1,证实了生物膜的存在可增强MABR的氧传质能力。在生物膜厚度增长的过程中,氨氮表面去除负荷也是先增加后减少,最高可达4.91 g N?m?2?d?1,表明在MABR硝化过程中存在最佳的生物膜厚度,根据所研究最佳生物膜厚度为(119.0±3.0)μm,此时MABR具有最高的氧通量和氨氮表面去除负荷,硝化性能最好。生物膜内胞外聚合物(EPS)成分分析结果表明,随着生物膜厚度的增加,生物膜内层紧密型EPS的含量增加,导致氧传质阻力增加,这是生物膜内氧通量及氨氮去除负荷随生物膜厚度先增加后下降的内在原因。     

厌氧发酵产氢细菌的分离和鉴定及产氢特性

获得优良的产氢菌株,鉴定并研究其产氢特性,为提高其产氢能力提供基础。对样品进行预处理和葡萄糖梯度驯化处理后,采用厌氧培养技术分离单菌落,进行菌株形态学观察、生理生化试验及16S rDNA分子生物学鉴定,并采用分批式厌氧发酵研究其产氢特性。结果表明:其中产氢最优的菌株FML-C1为肠杆菌属细菌,葡萄糖为其产氢的最优碳源,氮源则以酵母粉和蛋白胨混合最佳,最适生长和产氢温度为35℃,最佳初始pH值为6.0,该条件下菌株的气相末端产物中氢体积分数达56.51%。菌株FML-C1为一株良好的厌氧发酵产氢菌,可进一步优化其产氢工艺,以提高其产氢能力。     

氢基质膜生物膜反应器去除饮用水中氧化性物质研究进展

介绍了氢基质中空纤维膜生物膜反应器去除饮用水中氧化性物质的机理及国内外研究现状。膜生物膜反应器采用中空纤维膜,利用氢气作为电子供体来还原水中氧化性物质(如硝酸盐、砷酸盐、高氯酸盐、溴酸盐和硒酸盐等)。氢基质膜生物膜反应器具有氢气利用率高、操作方便、占地面积小、剩余污泥量少、膜污染小等优点,相对传统污水生物处理是一种新型的水处理技术,因此具有良好的应用前景。     

环流型光纤生物膜制氢反应器的连续产氢性能

采用使光合细菌生物膜直接附着生长在具有高导光性的弥散光纤表面的方法,构造了环流型光纤生物膜制氢反应器,用于解决目前固定化细胞连续流光生物制氢反应器研究中存在的难以同时实现细胞固定化和保持细胞固定化区域具有良好光分布性的问题。通过连续流产氢实验研究发现该反应器在以葡萄糖为有机底物,入射光波长为530 nm,弥散光纤表面光照强度为4.15 W·m^-2,进口底物浓度为10 g·L^-1,流速为100 ml·h^-1的条件下,反应器的光能转化效率和产氢速率得到显著提高,分别达到47.9%和0.83 mmol·(g dry cell)^-1·h^-1。实验结果表明,采用适合光合细菌产氢的入射波长,保持固定化细胞区域均匀的光强分布和强化传质的操作方法都有助于提高反应器的产氢性能。该研究可以为规模化光生物制氢反应器的探索提供一定参考。     

用膜生物反应器降解较高浓度氨氮的研究

采用一体式浸没膜生物反应器，在连续、曝气和100ms／L氨氮的条件下驯化活性污泥，发现驯化污泥对氨氮的硝化去除率可稳定在30％-50％，同时对有机物的降解率也都在80％以上；通过对比发现污泥的硝化和有机物降解作用之间有着相互抑制的关系。对比实验也证明，硝化过程产生的大量H^ 将降低体系的pH，使其稳定在5．4左右。而从3个月的运行实验看，KUBOTA的平板膜有着很好的耐污染性能，且清洗措施简单易行。     

膜生物反应器处理难降解印染废水的膜污染微观特性研究

通过对0.22、0.65、1.2μm的混合纤维素膜和聚偏氟乙烯(PVDF)膜过滤难降解印染废水的对比试验,分析了膜生物反应器处理难降解印染废水时通量下降的影响因素.结果表明,在操作压力0.2MPa、膜面流速4m/s、温度28℃的条件下,孔径为0.22μm的膜稳定通量最高,孔径为1.2μm的膜稳定通量最低;同时,在运行时间相同的条件下,聚偏氟乙烯膜的耐污染能力优于混合纤维素膜.     

膜生物反应器在难降解废水处理中的应用

膜生物反应器是近年来发展的一种新型的水处理技术。本文主要介绍了膜生物反应器在印染废水、造纸废水和垃圾渗滤液等难降解废水处理中的应用以及近年来国内一些研究成果,并指出今后膜生物反应器在废水处理方面的研究方向。     

Experimental study of the inverse fluidized bed biofilm reactor

A new apparatus, the inverse fluidized bed biofilm reactor, is described. Introduction of the so called inverse fluidized bed, in which low density particles covered by a biofilm are fluidized by downflow of the liquid, allows control of the biofilm thickness and provides a high oxygen concentration in the reacting liquid. Characteristics of the reactor were studied by carrying out two important biotechnological processes: aerobic wastewater treatment by a mixed bacterial culture, and ferrous iron oxidation by the bacteria Thiobacillus ferrooxidans. The bioreaction rates per unit volume of the reactor were up to 14 times higher than those in the equivalent airlift bioreactor. The structure of the liquid flow was determined by a tracer method.     

溶液浓差能驱动的逆电渗析反应器制氢实验研究

低品位热能制氢技术首先是将热能转换为溶液浓差能,然后通过逆电渗析(RED)反应器将溶液浓差能转换成氢能。为了验证RED反应器能将溶液浓差能转换为氢能,探索关键运行参数变化对能量转换过程的影响。设计了一个由40个膜对所构成的RED反应器,以NaCl水溶液为工作溶液,NaOH水溶液为电极液的制氢系统。通过改变浓/稀溶液入口浓度,溶液过膜流速以及输出电流来考察对RED反应器产氢率、制氢效率和能量转换效率的影响。实验结果发现,浓/稀溶液入口浓度,过膜流速变化均会影响RED反应器的输出电流。在外电路短接条件下,输出电流越大,反应器产氢率和制氢效率越高,但能量转换效率越低。     

光合细菌生物制氢

阐述了固氮酶催化的光合放氢和氢酶催化的黑暗厌氧产氢机制,描述了光合细菌原初反应的微观反应动力学以及电子定向转移和质子转位耦联驱动的三磷酸腺苷合成机制与固氮产氢过程。讨论了影响光合放氢的主要因素,如光、氧气、菌株特性、氢供体和氮源等。介绍了固定化、混合培养和重复分批培养等实用化技术和遗传工程技术在光合细菌产氢研究中的应用现状,并就存在的问题进行了讨论。最后对光合制氢技术的发展趋势和应用前景进行了评述。     

超临界水中葡萄糖气化制氢实验研究

以葡萄糖为生物质模型化合物,在超临界水中进行气化反应,考察不同压力、温度、物料浓度等对气化产物组成及气化制氢效果的影响。实验结果表明,反应器壁温在500—650℃范围内,温度的升高有利于葡萄糖的气化制氢,25MPa、650℃时气化率超过100%。添加适当的催化剂可以有效促进水气转化反应。     

光合细菌生物制氢反应器的现状分析

光合细菌制氢反应器开发是光合细菌产氢由实验室研究向实际转化的重要阶段。文章对目前国内外光合细菌制氢反应器发展现状进行了比较,分析了光合细菌生物制氢反应器开发存在的主要问题,提出以太阳作主光源的多点分布式内置光源反应器是生产化反应器开发的重要途径。     

High-rate fermentative hydrogen production from palm oil mill effluent in an up-flow anaerobic sludge blanket-fixed film reactor

The major problem associated with UASB reactors for biotransformation of organic matter to hydrogen is the long start-up period (2–4 months) required for the growth of the microbial granules. In this study, an integration of granular sludge system and a fixed film reactor in a single reactor was applied to overcome this problem. An up-flow anaerobic sludge blanket-fixed film (UASB-FF) reactor was initially inoculated with heat pretreated seed sludge as inoculum and operated as closed-loop fed-batch for five days (HRT = 24 h; 38 °C; pH 5.5). The reactor was continuously fed with fresh pre-settled POME in order to shorten the start-up period. The organic loading was gradually increased from 4.7 to 51.8 g/L d. Granular sludge rapidly developed within 22 days. Specific hydrogen production rate was 0.514 L H₂/g VSS d at the end of the start-up period. Speedy development of bio-granules was attributed to biomass recirculation and the establishment of a fixed film at the upper section of the UASB-FF reactor that resulted in improved interactions among the bacterial consortium.     

接种污泥预处理对生物制氢反应器启动的影响

采用3个相同的EGSB反应器,以糖蜜废水为底物,分别对取自污水处理车间集泥井的缺氧污泥进行曝气预处理和加热预处理,通过与不经任何预处理的接种污泥（对照反应器）的启动试验进行对比,在其他启动控制条件相同的情况下,研究了接种污泥不同预处理对EGSB生物制氢反应器启动的影响。结果表明,与对照反应器相比,经过适当预处理的活性污泥接种至生物制氢反应器有利于反应器的高效快速启动,产氢微生物得到了有效的富集,在启动末期反应器各项指标均优于对照反应器。启动末期,接种污泥经过适当预处理的反应器,酸化率较未经预处理的反应器提高了10%~30%;产氢量提高了1.69~1.82倍。考虑到降低生物制氢的工业化应用成本及提高系统可操作性,本研究推荐应用曝气预处理方法对生物制氢反应器的接种污泥进行预处理,以获得其高效快速启动。     

膜材料对膜曝气生物膜反应器性能影响的比较

选择聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP)中空纤维曝气膜作为膜曝气生物膜反应器(MABR)的膜组件材料,比较两种膜材料由于亲疏水性能、表面形态、生物相容性等性质的差别,对MABR挂膜启动速度、生物附着量、脱氮除碳及膜污染等性能的影响。研究显示,运行末期PVDF和PP膜纤维生物附着量分别为35.62 g·m^-2和30.63 g·m^-2。通过场发射扫描电子显微镜观察两种膜表面生物污染情况,PVDF膜纤维表面呈鱼鳞状结构,有效保护了膜孔不被微生物完全堵塞。在90 d的运行周期内以PVDF为曝气膜材料的MABR获得了90%以上的COD去除率和78%的TN去除率;而以PP为曝气膜的MABR由于运行后期曝气膜纤维污染严重仅得到了76.5%的COD去除率和49.1%的TN去除率。因此,PVDF曝气纤维更适于作膜曝气生物膜反应器的曝气膜。