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1、 SHANGHAI UNIVERSITY 毕业设计（论文）UNDERGRADUATE PROJECT (THESIS)题 目: 初期堆肥渗滤液的营养作用对于强化厌氧制氢能力研究学 院 环境与化学工程学院专 业 环境工程学 号 05121955学生姓名 指导教师 起讫日期 2009年3月至2010年5月初期堆肥渗滤液的营养作用对于强化厌氧制氢能力研究摘 要本文对初期堆肥渗滤液作为营养源在以混合培养基的发酵过产氢程中的作用进行了研究。外加葡萄糖混合渗滤液的最佳条件通过响应曲面法（RSM）来预测。模型表明，最大累积氢量（469.74 mL）和分子产氢量（1.5988）于3383.20mg/ L葡萄糖
2、和渗滤液加入量为6174.93mg COD/ L。根据该模型预测的最佳条件，本文通过另外4个试验验证模型所预测的最优条件和评估渗滤液废水在与果汁废水共发酵中的作用。在共发酵实验中，得到的最大累积产氢体积为（587.05 15.08mL），分子氢气产量达到2.06 0.06 mol H2/mol glucose。此外，在各个实验中醋酸，丁酸为最主要的液相中的挥发性脂肪酸，它们的值与各个实验分子产氢量相符合。关键词：初期堆肥渗滤液；混合培养基；营养源；响应曲面法；挥发性脂肪酸；3ABSTRACTThe function of fresh compost leachate as nutrient s
3、ource during the process of fermentative hydrogen process with mixed culture was studied. The optimum conditions of the batch tests by mixing leachate with glucose were predicted by response surface methodology (RSM). The models showed the maximum cumulative hydrogen volume (469.74 mL) and molar hyd
4、rogen yield (1.5988) could be achieved at 3383.20 mg/L glucose and 6174.93 mg COD/L leachate respectively. According to the optimal conditions predicted by the models, another four tests were carried out to validate the predicted values and evaluate the effect of the leachate in co-fermentation with
5、 juice waste water. The maximum cumulative hydrogen volume (587.05 15.08mL) was obtained in co-fermentation test, and the molar hydrogen yield reached 2.06 0.06 mol H2/mol glucose. Besides, acetic and butyric acids were the dominant liquid end products and the amount of these two volatile fatty acid
6、s (VFA) was consistent with the molar hydrogen yield of each test.Keywords: fresh compost leachate; mixed culture; nutrient source; response surface methodology; volatile fatty acid.目录摘 要2ABSTRACT3目录4第一章 绪论41.1 研究课题的背景及意义41.1.1 我国资源环境现状51.1.2 氢能意义61.1.3氢能的开发现状61.2 国内外研究及应用进展71.2.1生物制氢研究现状及应用前景71.2.2
7、微生物制氢的研究现状81.3 厌氧发酵产氢机理91.3.1生物产氢的过程91.3.2产氢微生物141.3.3微生物厌氧发酵产氢的反应原理151.4 实验目的与研究内容18第二章 实验材料与方法202.1 渗滤液和果汁废水的性质202.2 接种污泥202.3 序批式实验202.4 检测方法212.5 响应曲面实验设计及统计分析方法24第三章 结果分析及讨论263.1 响应曲面分析263.2 糖含量与渗滤液加入量的交互作用323.3 对模型的验证和共发酵实验343.4 液相最终产物35第四章 结论43致 谢44参考文献45附录：1 英文文献502.中文文献59第一章 绪论1.1 研究课题的背景及意
8、义能源是人类赖以生存的基础，是社会经济发展的动力，它与社会经济的发展和人类的生活息息相关，开发和利用能源资源始终贯穿于社会文明发展的整个过程。能源短缺和环境污染是新世纪人类所面临的重大挑战，利用污泥厌氧发酵产氢，既可解决污泥的环境污染问题，又可制备清洁的燃料能源。从能源构成情况来看，包括我国在内的世界绝大多数国家都把石油和煤炭等矿物性燃料做作为基本能源，把发展石油和煤炭工业作为能源开发和利用的基础1。诚然，石油和煤炭具有还能量高，易于开发和利用等多方面的优点，但它们是不可再生能源，且由于大规模开发和广泛应用，已经严重影响了人类生存环境的质量，破坏了生态平衡。1.1.1 我国资源环境现状我国是一
9、个人均自然资源短缺的国家。长期以来的粗放型经济增长虽然实现了较高的经济增长速度，但在资源环境方面却付出了较大的代价，单位GDP能源消耗持续上升，主要污染物排放总量连年增长。严峻的资源环境形势己经成为我国可持续发展的重要制约。国家环保总局、国家统计局、国家发展改革委在2007年8月21日发布的200年上半年各省、自治区、直辖市主要污染物排放量指标公报中结果显示，今年上半年，全国二氧化硫排放总量1263.4万吨，与去年同期相比下降0.88%;化学需氧量排放总量691.3万吨，与去年同期相比增长0.24%。“从今年上半年的情况看，节能减排面临的形势仍然十分严峻。”在十届全国人大常委会第二十九次会议上
10、，国家发展和改革委员会主任马凯就国务院关于节约能源保护环境工作情况作了报告。我国二氧化硫排放量的90%是由燃煤造成的，快速增长的能源消费成为我国大气污染的主要来源。高耗能高污染的企业继续增长导致了COD排放量的继续增加。因此，目前我国在实行节能降耗减排、循环经济等资源环境政策的同时，开发清洁能源、替代能源是势在必行的。氢能是理想的清洁能源和替代能源之一，已经广泛引起人们的重视。为了控制水污染和实现污水资源化，我国政府在2005年年底提出了城市污水处理率2010年要达到70%的目标，重点城市的污水处理率在2010年要达到80%，中小城市达到60%到70%。2000年我国城市污水处理率仅达到34%
11、，截至2005年年底，我国城市污水处理率己达52%，未来城市污水处理率必将大幅提高，相应市政污泥量将随之大大增加。此外，随着废水处理技术的进一步推广和发展以及废水排放标准制定的日趋严格，排放的污泥量也将大大增加。因此寻求经济有效的减量化、无害化和资源化的污泥处理利用技术，兼顾生态效益、环境效益。将污泥通过厌氧发酵转为清洁能源氢气，不仅可解决污泥的处置问题，也可在一定程度上减少对化石燃料的依赖，进而减少由于使用化石燃料所造成的环境污染问题。因此，本研究不但具有开发新能源、节省能源及解决污泥问题的重要意义，而且还能为社会带来显著的经济和环境生态效益，在倡导绿色化学、清洁化工的21世纪具有极其诱人的
12、应用前景。1.1.2 氢能意义化石燃料资源的日趋匮乏以及化石燃料的使用对环境产生的巨大危害要求人类加速研发洁净、高效、可再生的能源，改善能源结构，实验可持续发展。由于氢能作为一种高效、可再生的燃料，在燃烧时只生成水，不产生任何污染物，甚至也不产生CO2，可以实现真正的“零排放”，是一种理想的清洁能源，正日益受到人们的重视。国际上的氢能制备工艺主要有电解制氢、热解制氢、光化制氢、放射能水解制氢、等离子电化学法制氢、矿石燃料制氢和生物制氢等2在这些方法中，96%的氢气都是从天然的碳氢化合物天然气、煤、石油产品中提取出来的，4%是用水电解制氢技术制取的。生物制氢是一项利用微生物的生理代谢作用分解有机
13、物从而产生氢气的生物工程技术，它是一种符合可持续发展战略的可再生能源，除了生物制氢技术外，其他的制氢技术都要消耗大量的化石能源，而且也要在生产过程中造成环境污染，所以采用生物制氢技术，可减少环境污染，节约不可再生能源。发展生物质的微生物制氢对我国能源结构调整和可持续发展具有非常迫切和重要的意义，对于解决未来能源的可持续发展问题也具有十分重要的普遍意义。3.41.1.3氢能的开发现状氢能的开发就目前状况而言，主要以工业生产为主，工业化生产大都采用物化或需消耗大量的电能，或需消耗矿物原料，使氢气生产成本过高，并且不能达到减能源消耗的目的，从而限制了氢能的发展。而生物制氢是利用某些微生物以有机物基质
14、通过发酵及光合作用产生氢气的一种制氢方法，由于该方法可以在降解有机物同时产生氢气，因此，己成为目前的研究热点4。生物制氢技术可以通过对高浓度有机废水处理同时获得清洁能源氢气，而以氢定化产氢污泥降解高浓度有机废水制氢研究燃料替代煤和石油等化石燃料的使用又可以减少50%的排放量。因此，开发生物制氢技术不仅符合我国节能降耗减排、循环经济的资源环境政策，还是解决我国能源问题、环境问题的重要途径之一。1.2 国内外研究及应用进展1.2.1生物制氢研究现状及应用前景当今世界，人们对促进经济和环境协调发展，实施可持续发展战略已形成共识。寻求能源合理利用的新途径，开发其它新能源，已成为人类迫切需要解决的课题。
15、由于清洁、高效、可再生等突出的特点，在21世纪，氢气有着十分光明的应用前景，它的应用领域也在不断的扩大。当前，氢能源的开发和利用技术已成为科学研究中的热点课题，日本的东京电器公用事业公司已经建设了第二条氢燃料电池发电生产线11MW的燃料电池发电厂；日本丰田汽车公司研制出了氢燃料电池汽车，日本武藏工业大学先后研制了8个型号的系列氢能汽车，德国的Dalmler-Benz公司也开发出了贮氢材料型的氢能汽车；美国的波音公司对超音速飞机适用液氢燃料的可行性进行了研究5。氢的应用已不仅仅局限于能源领域，氢气在其它领域也有广泛的用途，如化工合成、炼油重整、甲醇合成、煤的液化和甲烷化、航空航天以及金属冶金、电子、焊接、食品等领域。随着氢气用途的增加，氢气的需求量在迅速增长，常规的制氢方法已经无法适应社会发展的需要，尤其是面临严峻的世界性环境危机，从国内到国外都在大力推进和支持废物综合利用、节能高效的清洁生产项目，研究开发适应社会发展需求的制氢技术已是当务之急。生物制氢技术因其具有清洁、节能和不消耗矿物资源等许多突出优点而倍受世人关注，有关的技术研究在世界各国的共同努力下，不断取得进展。在人
