文档介绍：Classified Index: X382
:
A Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
CONTROLLING STRATEGY OF
DIRECTIONAL START-UP AND
COMMUNITY ESSION IN
CONTINUOUS FLOW BIOHYDROGEN
PRODUCTION REACTORS
Candidate: Gong Manli
Supervisor: Prof. Ren Nanqi
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Speciality: Environmental Engineering
Affiliation: School of Municipal and
Environmental Engineering
Date of Defence: June, 2006
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
国际能源机构(IEA)预测,未来 20 年间追求经济高速发展的动机与
能源可持续发展的矛盾将不断显现。及早进行能源消费结构转型,实现能源
的可持续发展,已成为全球的共识。在众多能源生产技术中,发酵法生物制
氢技术以其独特的环境友好性成为研究热点。如何提高反应器的产氢能力和
降低制氢成本是该技术产业化需解决的首要问题。本研究以混合菌种连续流
生物制氢反应器的启动为基础,结合分子生物学技术,对反应器启动的影响
因子、启动过程中微生物群落演替规律以及乙醇型发酵的投菌强化启动进行
了深入研究。提出了快速建立目标发酵类型产氢发酵菌群,实现反应器定向
启动的人工调控对策。这些研究将从细胞水平提高系统的产氢能力,对于加
速发酵法生物制氢技术的产业化进程具有重要意义。
采用连续流搅拌槽式反应器(CSTR),以糖蜜为底物,对影响反应器
启动的主要控制因子量化研究表明,有机负荷和 pH 值是影响反应器启动的
重要控制因子。控制有机负荷和 pH 值实现制氢反应器定向启动的人工调控
对策如下:在启动负荷为 kgCOD/m3·d、水力停留时间为 6 h、污泥接种
量不小于 6 gVSS/L、采取阶梯式负荷提升方式进行反应器启动的前提下,
当 pH 值控制在 ± 时,易形成丁酸型发酵;当 pH 值为 ± 时,易
形成混合酸型发酵;当 pH 值控制在 ± 时,易形成乙醇型发酵。
采用分子生物学技术对反应器启动期的微生物群落演替规律研究表明,
反应器的启动控制条件直接影响微生物群落的演替速度和演替方向。试验中
采用的定向启动控制对策使初始微生物群落多样性先增加后逐渐降低,群落
结构之间的相似性逐渐提高,演替速度先加快后减慢,直到形成稳定的群落
结构。群落结构和优势种群数量具有时序动态性,微生物多样性呈现变化的
特征。其中以 pH 值对微生物群落演替作用最为明显。乙醇型发酵菌群的群
落演替主要发生在启动的前 15 d,但是仍需要 30 d 的时间来建立稳定的群
落结构,完成稳定产氢的群落功能。
对乙醇型产氢发酵菌群的群落结构分析表明,乙醇型发酵优势种群为低
G+C 含量的革兰氏阳性细菌群的 Clostridium Ethanologenbacterium
harbin sp.;β亚纲的 Acidovorax sp.;γ亚纲的 Kluyvera
的拟杆菌群和螺旋体群细菌。在群落演替过程中一直存在的 Clostridium
sp.、Acidovorax sp.、Kluyvera
- I -
哈尔滨工业大学工学博士学位论文
的基本原始种群。混合菌群之间存在着底物代谢协同作用,非产氢细菌为产
氢细菌生长提供适宜的代谢底物,最终形成由可水解复杂底物的非产氢细菌
和可利用次级代谢产物的产氢细菌构成的顶极群落。
对比启动后不同发酵类型产氢发酵菌群的实际产氢能力得出,在有机负
荷均为 40 kgCOD/m3·d 的条件下,乙醇型产氢发酵菌群表现出较高的产氢能
力,其最大比产氢速率为 550 mL/gVSS·d;丁酸型产氢发酵菌群的最大比产
氢速率为 165 mL/gVSS·d 。乙醇型产氢发酵菌群的平均产氢能力为