发酵法生物制氢技术

1、有机废水发酵法生物制氢工艺 专业：环境工程 1 2 3 4 主要内容主要内容 背景知识背景知识 发酵生物制氢反应器的类型发酵生物制氢反应器的类型 ABRABR反应器反应器 展望展望 一、背景知识 有人将氢气誉为有人将氢气誉为“世界上最干净的能世界上最干净的能 源源”，因为它的燃烧产物只有水。氢气，因为它的燃烧产物只有水。氢气 的燃烧热值高，相同质量的氢气燃烧所的燃烧热值高，相同质量的氢气燃烧所 产生的热量约为汽油的产生的热量约为汽油的3 3倍、酒精的倍、酒精的3.93.9 倍、焦炭的倍、焦炭的4.54.5倍。更为重要的是，氢气倍。更为重要的是，氢气 是一种可储存的能源载体。是一种可储存的能源载

2、体。 一、背景知识 生物制氢技术分类：生物制氢技术分类： 1、光合微生物制氢、光合微生物制氢 2、发酵法制氢、发酵法制氢 一、背景知识 理论上发酵细菌利用葡萄糖产氢的理论上发酵细菌利用葡萄糖产氢的最大产量最大产量 应为应为4mol/L4mol/L，但目前发酵生物制氢的实际产量远远，但目前发酵生物制氢的实际产量远远 低于这个数值。规模化发酵生物制氢受多种因素的低于这个数值。规模化发酵生物制氢受多种因素的 影响，例如，菌种准备、培养环境条件、营养条件影响，例如，菌种准备、培养环境条件、营养条件 和代谢产物抑制等。要实现规模化发酵生物制氢必和代谢产物抑制等。要实现规模化发酵生物制氢必 须借助生物反应

3、器。同时，须借助生物反应器。同时，高效生物反应器能够保高效生物反应器能够保 持反应器中产氢细菌的生理活性和代谢稳定性持反应器中产氢细菌的生理活性和代谢稳定性，实，实 现连续、稳定和高效的产氢，是实现工业化生产的现连续、稳定和高效的产氢，是实现工业化生产的 技术关键。技术关键。 1、连续流搅拌槽式反应器（continuous stirred tank reactor，CSTR） CSTR反应器是一种应用 最广泛的连续流发酵生物制氢反 应器之一。实验室内许多重要的 产氢参数都通过CSTR反应器监测 ，如PH、底物浓度、氢含量等。 通常CSTR反应器采用环形通路， 并利用机械涡轮来混合。 2、升流式

4、厌氧污泥床反应器（UASB） 典型的UASB反应器主要包括3部 分：污泥床区、污泥悬浮层区和气 、固、液三相分离器。通过对接种 物的预处理及PH的控制，可以实现 稳定的氢生产。 3、厌氧膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB） EGSB实质就是改良的UASB反应器，2种 反应器内液体上升流速不同。在UASB反应 器中，水力上升流速一般小于1m/h；而 EGSB反应器通过采用出水循环，有较大的 水力上升流速（510m/h），使颗粒污泥 处于悬浮状态，从而保持了进水与污泥颗 粒的充分接触，还可以避免反应器内死角 和短流的产生。 4、厌氧流化床反应器（AFBR） LOGO AFBR反应器主要依靠在惰性的填料

5、微粒表 面形成的生物膜来保留厌氧污泥。这些微粒形 成流态化使液体与污泥混合和物质传递。由于 AFBR反应器使用了表面积/体积比很大的载体， 使得厌氧微生物浓度增加。在AFBR反应器中为 了固定化厌氧产氢细菌，常采用凝胶截留、粒 状活性炭和海藻酸钠等固定细菌。 三、厌氧折流板反应器（ABR） ABR反应器是美国 Stanford大学 的Bachmann教授等在厌氧生物转盘反 应器的基础上改进开发出来的一种新 型高效厌氧反应器。通过废水的上下 折流及降解过程中的产气作用，使得 基质与污泥的接触机会及接触时间增 多，提高了反应器的处理效率。 三、厌氧折流板反应器（ABR） 在反应器内设置一系列垂直的

6、折流挡板使废水在反应器内设置一系列垂直的折流挡板使废水 在反应器内沿折流板在反应器内沿折流板上下折流运动上下折流运动，依次通过每个，依次通过每个 格室的污泥床直至出口。在此过程中，废水中的有格室的污泥床直至出口。在此过程中，废水中的有 机物与厌氧活性污泥充分接触而逐步得到去除。虽机物与厌氧活性污泥充分接触而逐步得到去除。虽 然在构造上然在构造上ABRABR可以看作是多个可以看作是多个UASBUASB反应器的简单反应器的简单 串联，但工艺上与单个串联，但工艺上与单个UASBUASB有显著不同。有显著不同。 1、工作原理、工作原理 工艺构造工艺构造生物体生物体操作操作 设计简单污泥无特殊沉降要求H

7、RT短 无运动部件污泥产率低可间歇运行 无需机械混合泥龄长耐冲击负荷能力强 建设运行费低无需用填料或沉淀池抗有毒物能力强 不易堵塞不需三相分离器可长时间不排泥 三、厌氧折流板反应器（ABR） 表表1 1 厌氧折流反应器的优点厌氧折流反应器的优点 2 2、ABRABR反应器的优点反应器的优点 在在ABRABR各个格室中的微生物相是各个格室中的微生物相是随流程逐随流程逐 级递变级递变的，递变的规律与底物降解过程协调的，递变的规律与底物降解过程协调 一致，从而确保相应的微生物相拥有最佳的一致，从而确保相应的微生物相拥有最佳的 代谢环境和代谢活性。代谢环境和代谢活性。ABRABR的推流式特性可的推流式

8、特性可 确保系统拥有更优的出水水质，同时反应器确保系统拥有更优的出水水质，同时反应器 的运行也更加稳定，对冲击负荷以及进水中的运行也更加稳定，对冲击负荷以及进水中 的有毒物质具有更好的缓冲适应能力。的有毒物质具有更好的缓冲适应能力。 沈耀良等研究表明，沈耀良等研究表明，ABRABR较前面的格室较前面的格室 ( (第第1 1、2 2、3 3格室格室) )内，微生物主要进行内，微生物主要进行产酸产酸 发酵发酵过程，而在较后面的格室过程，而在较后面的格室( (第第4 4、5 5、6 6格格 室室) )内进行产内进行产甲烷发酵和有机物无机矿化过甲烷发酵和有机物无机矿化过 程程。 三、厌氧折流板反应器（

9、ABR） 三、厌氧折流板反应器（ABR） 当进水当进水CODCOD浓度、进水流量发生变化时浓度、进水流量发生变化时, ,都会对发酵产氢系统造成都会对发酵产氢系统造成 冲击冲击. .由于由于CSTRCSTR的混合液是均匀的的混合液是均匀的, ,其抵抗能力基本来自混合液对进其抵抗能力基本来自混合液对进 水的稀释作用水的稀释作用, ,很容易引起系统内环境条件的变化，因而会造成产氢很容易引起系统内环境条件的变化，因而会造成产氢 速率的变化。而速率的变化。而ABRABR系统第一格室的污泥床中聚集了悬浮的高密度微系统第一格室的污泥床中聚集了悬浮的高密度微 生物絮体，它们与格室内环境相互作用，当水质变化时，

10、该系统可生物絮体，它们与格室内环境相互作用，当水质变化时，该系统可 以通过以通过内平衡机制内平衡机制维持其稳定性，并且第维持其稳定性，并且第1 1格室的格室的缓冲作用缓冲作用，保障了，保障了 第第2 2、3 3格室的稳定运行。格室的稳定运行。 郑国臣等：ABR发酵系统运行特性及产氢效能研究2013 表2 两种产氢系统乙醇型发酵的运行特性比较结果 三、厌氧折流板反应器（ABR） 3 3、ABRABR工艺操作条件的选择工艺操作条件的选择 水力停留时间水力停留时间 回流回流 分段进水分段进水 PHPH值 值 （2）（3） （4） （1） 三、厌氧折流板反应器（ABR） 3 3、ABRABR工艺操作条

11、件的选择工艺操作条件的选择 水力停留时间水力停留时间 回流回流 分段进水分段进水 PHPH值 值 （2）（3） （4） （1） b b、处理高浓度废水时，其产气对促进泥水混合的作用占主导地位，、处理高浓度废水时，其产气对促进泥水混合的作用占主导地位， 因而对上升流速的控制范围较宽，且可在很低的因而对上升流速的控制范围较宽，且可在很低的VsVs下运行。故对高下运行。故对高 浓度废水，建议采用较长的浓度废水，建议采用较长的HRTHRT，以防止因产气作用而造成的污泥流，以防止因产气作用而造成的污泥流 失，否则须加装填料以减少污泥流失。失，否则须加装填料以减少污泥流失。 a a、对于低浓度废水，建议采

12、用较短的、对于低浓度废水，建议采用较短的HRTHRT，以增强传质效果，促进水，以增强传质效果，促进水 流混合，缓解反应器后部污泥基质不足的问题。但流混合，缓解反应器后部污泥基质不足的问题。但HRTHRT不宜过短，过不宜过短，过 短的短的HRTHRT容易造成沟流现象，不仅影响处理效果，而且会使污泥流失。容易造成沟流现象，不仅影响处理效果，而且会使污泥流失。 三、厌氧折流板反应器（ABR） 水力停留时间是控制水力停留时间是控制ABRABR反应器运行的主要参数，反应器运行的主要参数， 它直接影响了它直接影响了ABRABR中的中的CODCOD去除率。去除率。 三、厌氧折流板反应器（ABR） 3 3、A

13、BRABR工艺操作条件的选择工艺操作条件的选择 水力停留时间水力停留时间 回流回流 分段进水分段进水 PHPH值 值 （2）（3） （4） （1） 三、厌氧折流板反应器（ABR） 将反应器出水进行回流是提高反应器水力负荷的常用方法。将反应器出水进行回流是提高反应器水力负荷的常用方法。 目前关于出水回流对目前关于出水回流对ABRABR反应器效能的影响尚存争论。反应器效能的影响尚存争论。是否采用是否采用 回流要视所处理的废水水质而定回流要视所处理的废水水质而定，如果原水，如果原水pHpH值过低而酸化作用过烈值过低而酸化作用过烈 、原水含有高浓度的有毒物质或运行需要在高水力负荷下进行，则可、原水含有

14、高浓度的有毒物质或运行需要在高水力负荷下进行，则可 考虑出水部分回流。但对出水回流应持谨慎态度，一般情况下尽量不考虑出水部分回流。但对出水回流应持谨慎态度，一般情况下尽量不 要采用。要采用。 三、厌氧折流板反应器（ABR） 3 3、ABRABR工艺操作条件的选择工艺操作条件的选择 水力停留时间水力停留时间 回流回流 分段进水分段进水 PHPH值 值 （2）（3） （4） （1） 三、厌氧折流板反应器（ABR） ABR ABR反应器在较高反应器在较高 有机负荷条件下启动时，有机负荷条件下启动时， 容易发生容易发生VFAVFA积累、积累、pHpH降降 低等情况，从而导致运行低等情况，从而导致运行

15、失败。为避免这些不利情失败。为避免这些不利情 况，可考虑采用分段进水况，可考虑采用分段进水 ，如图所示。，如图所示。 三、厌氧折流板反应器（ABR） 3 3、ABRABR工艺操作条件的选择工艺操作条件的选择 水力停留时间水力停留时间 回流回流 分段进水分段进水 PHPH值 值 （2）（3） （4） （1） 三、厌氧折流板反应器（ABR） pH pH值是厌氧处理系统中重要的工艺控制参数之一值是厌氧处理系统中重要的工艺控制参数之一. . 为保证反应器有足够的缓冲能力，可根据需要在进水中投为保证反应器有足够的缓冲能力，可根据需要在进水中投 加一定量的加一定量的NaHCONaHCO3 3进行碱度调节。控制出水进行碱度调节。控制出水pHpH6.5 6.5 是确保是确保 ABRABR反应器正常工作的必要条件，为此应保持进水碱度在反应器正常工作的必要条件，为此应保持进水碱度在 800mgL800mgL-1 -1以上。 以上。 四、展望 目前，在倡导环境保护与经济发展同步进行的目前，在倡导环境保护与经济发展同步进行的 共识中，使用厌氧发酵技术制备清洁新能源已成共识中，使用厌氧发酵技术制备清洁新能源已成 为十