摘要
通过厌氧发酵的技术可以将农林废弃物、禽畜粪污、有机废水等废弃物在相对温和、环境友好的条件下转化为氢烷气。氢烷（10%~25%氢气体积和75%~90%甲烷体积）作为一种清洁且高效的燃料，对于应对能源危机和环境污染有广阔的应用前景。连续流氢烷发酵通常是菌种均匀悬浮于发酵液相中，在该条件下微生物和营养物质的接触充分，传质效率高，但是在连续运行过程中极易造成发酵菌种的大量流失，导致发酵系统不稳定，最终产气性能恶化。而采用细菌生物膜固定化培养的方式能有效避免菌种的大量流失，提高细菌对环境变化的抵抗能力，有利于发酵系统长期稳定运行。目前，细菌生物膜的研究对象主要为纯菌，如沼泽红假单胞菌、丁酸梭菌等，而对于产氢烷混菌生物膜的生长、膜内传质和膜的微观特性研究则相对缺乏。 本文针对产氢烷生物膜在连续流运行模式下的成膜过程以及微观结构进行了研究，提出了构建降流式生物膜反应器，研究了环境参数对产氢和产甲烷菌的生物膜生长、活性物质分布、生物膜微观结构的影响规律。基于成膜的最佳条件，获得了降流式生物膜反应器在氢烷两阶段分离和氢烷一体化形式下的转化特性，提出反应器的设计与优化方法。本论文所得的主要研究结论如下： ①在探究不同成膜因素对产氢混菌成膜影响实验中，得出了在不同水力停留时间（0.5~3.5d）的条件下运行时，细菌生物膜的成膜效果随着水力停留时间的压缩呈现出逐渐增强的趋势；在研究不同底物浓度（5~25g/L）时，生物膜的成膜效果随浓度的提高而呈现出先增加后降低的趋势；而在不同接种物比例（5%~35%）的实验中，生物膜的成膜效果则随产氢菌接种比例的上升的而逐步提高。最终，实验获得了最佳的成膜效果的水力停留时间为0.5d，底物浓度为15g/L，细菌接种比例为35%，在最佳条件下获得的载体上生物膜的干重最高可达81.2g/m2，该条件下细菌分泌的胞外物质的含量最多，同时，通过可视化研究，观察到产氢混菌在成膜实验的第8d时，已经在载体上形成具有一定厚度的生物膜系统。除此之外，载体表面Lacatobacillales和Clostridiales存在较高的相对丰度，说明这两种细菌更容易在载体表面附着，且连续挂膜期间细菌对葡萄糖的代谢类型可能存在乳酸参与的间接丁酸代谢。 ②在探究不同成膜因素对产甲烷混菌成膜影响的实验中，得出了在不同底物浓度（5~25g/L），不同反应系统进口pH值（5.5~9.5）以及不同水力停留时间（5~25d）的运行条件下，产甲烷菌生物膜的成膜效果表现出先提高后降低的趋势，实验后获得的产甲烷菌最佳成膜底物浓度为15g/L，进口pH值为7.5，水力停留时间为15d，在最佳条件上获得的产甲烷菌生物膜干重最高可达35.2g/m2，胞外分泌物质的含量最高，扫描电子显微镜观察到的甲烷菌生物量最大。甲烷菌成膜实验中，由于产甲烷菌自身生长速率缓慢，生物膜短期内形成效果不佳，因此，产甲烷菌的成膜性能要弱于产氢菌。同时，培养基的组成对于产甲烷菌的群落组成造成比较大的影响，由于底物组分的原因，样品中Methanosarcina和Methanosaeta的相对丰度占比达到了75%~87%，成为优势的古菌菌群，而细菌Synergistaceae（11.6%~24.6%）则是相对优势的细菌菌群。 ③在模拟计算降流式反应器内转化特性的研究中，针对悬浮式的发酵过程，将水力停留时间由48h压缩至3h后，流速的提高使得发酵副产物能够更快的被移除，产氢发酵过程的反应速率随着底物浓度的提高呈现出先快速升高后趋于平稳的趋势，同时，选用半径小、高度大的结构，更有利于提高反应器对底物的利用率且降低副产物积累区域的面积；而对于生物膜式发酵过程，增加生物膜载体在反应器中数量能够强化发酵性能，而生物膜载体采用叉排布置有利于降低发酵副产物的积累；基于以上研究，在氢烷一体化生物膜发酵的模拟计算中，将产氢和甲烷区域填料比设为8:8，HRT=480h时，反应体系内葡萄糖的利用率达到了91.7%，优化系统的产氢烷区填料比能够提高系统COD移除率，减少酸积累现象，提高甲烷菌的活性、填料载体采用叉排的方式更有利于产氢烷发酵。
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