pH值对剩余污泥暗发酵—光发酵联合产氢的影响研究.doc

pH值对剩余污泥暗发酵—光发酵联合产氢的影响研究污水处理厂的生物处理副产物剩余污泥中含有大量的蛋白质、碳水化合物等可被微生物利用的有机资源，是生物法制取清洁能源-氢气的良好底物。本论文以剩余污泥为发酵底物，以pH值作为控制因子，研究了pH值对暗发酵-光发酵联合产氢过程中氢气产量的综合影响，旨在最大化的实现剩余污泥产氢，同时实现剩余污泥减量化、稳定化和资源化利用。论文首先研究了pH值对剩余污泥暗发酵产氢的影响，结果表明，碱性条件有利于剩余污泥发酵产氢。在pH为10.0的条件下，暗发酵产氢量最大，发酵132h后累积H2产量达23.7mL/gVSS。对剩余污泥暗发酵过程的水解、产酸及产甲烷阶段的进一步分析发现，在pH为10.0时剩余污泥的水解率和挥发性脂肪酸（VFAs）产量都较高，发酵时间为60h时，污泥中的碳水化合物和蛋白质浓度分别为0.96和4.85g/L，发酵132h后，乙酸、丙酸和丁酸的总浓度值达到3.34gCOD/L，而整个过程中产甲烷菌的活性受到抑制，因此得到了较高的累积H2产量。另外研究还发现，碱性条件下更有利于实现剩余污泥减量化的目的，总悬浮固体（SS）和挥发性悬浮固体（VSS）的减量化最大值为51.83%和49.80%。为进一步提高剩余污泥的利用率及氢气产量，论文以暗发酵过程中产生的发酵液为底物，采用类球红细菌（Rhodobactersphaeroides）为产氢微生物进行光发酵，考察了pH值对光发酵产氢的影响。由于类球红细菌的产氢代谢受NH4+-N浓度、VFAs浓度和光照强度的影响，因此，为了去除这些因素对光发酵产氢的影响，以得到最大的H2产量，论文首先NH4+-N浓度、VFAs浓度和光照强度对光发酵产氢的影响进行了探讨。结果发现NH4+-N浓度会对光发酵产氢产生抑制，NH4+-N为0.005g/L时累积H2产量达到了最大值38.0mL；VFAs浓度过高或过低都会对光发酵产氢产生影响，VFAs浓度为1.88gCOD/L时，产氢停滞期短，H2转化率较高，且在较短的反应时间内能得到最大的累积H2产量，因此是光发酵产氢的最适VFAs浓度；7000lux是光发酵产氢的最适光照强度；pH为7.0时，光发酵240h后得到了最大的累积H2产量，为34.3mL。综合剩余污泥暗发酵和光发酵两部分的研究结果，对暗发酵-光发酵联合产氢的产氢条件进行了探究，结果发现在进行剩余污泥暗发酵时，pH10.0是暗发酵产氢的最佳条件，但用1L剩余污泥暗发酵液作为底物进行光发酵产氢时，pH9.0的暗发酵液得到了更大的氢气产量，为1331.9mL，氢气产率为117.8mLH2/g-VSS，以pH10.0的暗发酵液为底物进行光发酵时得到的氢气产率为117.5mLH2/g-VSS，这两种条件下的氢气产率相差不大，在同时考虑成本的情况下，暗发酵条件为pH9.0时是剩余污泥暗发酵-光发酵联合产氢的最佳条件。最后，通过建立动力学模型，用Gompertz模型来描述pH值对剩余污泥暗发酵和光发酵的动力学影响，结果在暗发酵条件下，各个pH值条件下的拟合度R2都大于0.95，拟合度较好，且在pH10.0的条件下，得到了最大的Pmax（H2最大生成潜能）27.40mL/gVSS和Rm（最大可能H2生成速率）0.26mL/(gVSS·h)。在光发酵产氢过程中，各个pH值条件下的拟合度R2都大于0.99，Pmax的最大值在中性条件下（pH为7.0）时得到，为46.79mL，得出的最大Rm为0.21mL/h，与试验得到了相同的结论。