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高浓度厌氧活性污泥驯化及其产氢能力演变规律的研究

作　者: 吴薛明
导　师: 何冰芳
学　校: 南京工业大学
专　业: 生物化工
关键词: 厌氧发酵 生物制氢 活性污泥 间歇驯化 比产氢率 优势菌群
分类号: TQ116.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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引　用: 8次
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内容摘要


经济发展和人类对能源需求造成了诸如环境污染、能源短缺等一系列问题。因此,作为一种环保、清洁的能源,氢能的开发研究已经受到了人们高度重视。在目前制氢方法中,利用生物技术制取洁净的氢气是世界上许多国家正在大力研究的课题。 本文利用驯化的活性污泥降解蔗糖制取氢气,通过间歇浓度的梯度驯化,不同来源活性污泥的糖代谢速率和产氢速率均有显著提高,驯化后对含糖量为76～84g/L发酵液的比产氢率达到或超过低浓度有机质发酵液的比产氢率,其中啤酒厂厌氧活性污泥、啤酒厂排污处污泥及南京城市排水沟污泥的蔗糖消耗率均达到85%以上:比产氢率分别达2.24、2.35和2.14molH2/mol蔗糖。首次提出了针对高浓度有机质的活性污泥间歇浓度梯度驯化法,阐明了驯化过程中糖代谢速率和产氢能力的演变规律。表明大多数活性污泥均能通过合适的驯化适应高浓度有机质发酵液,显著提高活性污泥的单位处理能力。 以蔗糖为基质模拟有机废水,在活性污泥梯度驯化的基础上对其产氢条件进行优化。优化后发酵条件为:厌氧发酵温度36℃,初始pH值5.0,蔗糖90g/L,玉米浆8mL/L,FeSO4·7H2O 20mg/L,MgCl2·6H2O 10mg/L,K2HPO4 1.0g/L。优化后的活性污泥平均产氢速率达到565mLH2/L·h,比优化前提高了223%:比产氢能力为3.04molH2/mol蔗糖,比优化前提高了30%。提出了有机氮与生长因子同步添加的高效廉价培养基方案,为活性污泥厌氧发酵生物制氢技术的进一步实用化奠定了基础。 本研究还通过活性污泥梯度驯化过程中液相末端发酵产物、蔗糖降解速率、比产氢能力的变化与活性污泥内微生物菌群关系的变化规律,发现梯度驯化过程中,随着驯化糖浓度的提高,活性污泥发酵液相末端产物开始以乙酸、乙醇为主即混合酸发酵,发酵类型向乙醇型发酵类型转变,到本试验结束,一直保持着稳定、良好的乙醇型发酵类型。利用Biolog菌种鉴定仪对乙醇型发酵类型中的优势菌群详细鉴定并给出优势菌数的演变规律,首次报道了不同驯化浓度阶段与发酵类型及活性污泥中优势菌群演变的规律。表明合理的梯度驯化通过微生物的优胜劣汰或生理适应,逐渐转化为高效产氢的厌氧微生物优势菌群,从而构成良好的产氢生态系统,达到预期厌氧产氢的目的。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章 文献综述  11-37
  1．1 选题背景  11-12
  1．2 生物制氢技术的现状与发展  12-20
    1．2．1 蓝细菌和绿藻产氢  12-14
    1．2．2 光合细菌产氢  14-17
    1．2．3 厌氧发酵产氢细菌产氢  17-20
      1．2．3．1 严格厌氧产氢细菌  17
      1．2．3．2 兼性厌氧产氢细菌  17-18
      1．2．3．3 混合厌氧产氢菌群  18
      1．2．3．4 产氢菌株和混合菌的产氢能力  18-19
      1．2．3．5 厌氧产氢污泥的驯化  19-20
  1．3 产酸发酵细菌产氢机理  20-23
    1．3．1 EMP途径中的丙酮酸脱羧产氢  20-21
    1．3．2 辅酶Ⅰ的氧化与还原平衡调节产氢  21-23
  1．4 厌氧发酵产氢的生物化学原理  23-29
    1．4．1 厌氧发酵的有机物降解过程  23-24
    1．4．2 复杂有机物的厌氧降解阶段  24-25
    1．4．3 厌氧发酵类型  25-29
      1．4．3．1 丁酸型发酵(Butyric acid type fermentation)  27-28
      1．4．3．2 丙酸型发酵(Propionic acid type fermentation)  28-29
      1．4．3．3 醇型发酵(Ethanol fermentation)  29
  1．5 厌氧发酵产氢的生态学  29-35
    1．5．1 厌氧发酵体系的生态位概念  30
    1．5．2 厌氧发酵体系的生态因子概念  30-33
      1．5．2．1 温度  31
      1．5．2．2 pH值  31
      1．5．2．3 底物  31-32
      1．5．2．4 其它生态因子  32-33
    1．5．3 厌氧生物发酵的生理生态学  33-35
      1．5．3．1 丁酸型发酵的稳定性与丙酸型发酵的耦联关系  33-34
      1．5．3．2 乙醇型发酵的稳定性  34-35
  1．6 厌氧发酵制氢存在的主要问题及发展前景  35-37
第二章 活性污泥驯化中糖代谢速率与产氢能力的演变规律  37-50
  2．1 材料和方法  37-43
    2．1．1 实验装置  37-38
    2．1．2 实验材料  38-40
    2．1．3 分析方法  40-43
  2．2 污泥驯化  43
    2．2．1 大桶驯化  43
    2．2．2 小瓶厌氧驯化  43
  2．3 结果与讨论  43-49
    2．3．1 驯化条件设计  43
    2．3．2 4种活性污泥产氢能力的比较  43-45
    2．3．3 4种活性污泥对高浓度基质的代谢适应性  45-49
      2．3．3．1 E液驯化初期4种活性污泥的代谢能力  46-47
      2．3．3．2 E液驯化后期4种活性污泥的代谢能力  47-49
  2．4 结论  49-50
第三章 活性污泥处理高浓度基质发酵产氢条件的优化  50-63
  3．1 实验材料与方法  50-52
    3．1．1 实验装置  50
    3．1．2 厌氧微生物  50
    3．1．3 分析方法  50-52
  3．2 结果与讨论  52-62
    3．2．1 污泥驯化  52
    3．2．2 驯化对污泥厌氧发酵中糖代谢速度和产气速率的影响  52-53
    3．2．3 培养基初始pH对产氢能力的影响  53-56
    3．2．4 温度对产氢能力的影响  56
    3．2．5 底物浓度对产氢能力的影响  56-57
    3．2．6 有机氮源对产氢能力的影响  57-58
    3．2．7 金属离子及还原剂对产氢能力的影响  58-60
    3．2．8 优化前后活性污泥产氢效率的比较  60-62
  3．3 结论  62-63
第四章 活性污泥梯度驯化下发酵类型与菌群关系的演变  63-71
  4．1 材料和方法  63-64
    4．1．1 实验装置  63
    4．1．2 菌种来源  63
    4．1．3 培养基  63-64
    4．1．4 分析方法  64
  4．2 结果与讨论  64-69
    4．2．1 梯度驯化中蔗糖代谢速率的变化  64-65
    4．2．2 梯度驯化中液相发酵末端产物的变化  65-67
    4．2．3 产氢菌株的分离、纯化与鉴定  67
    4．2．4 梯度驯化对菌群关系的影响  67-69
    4．2．5 底物浓度对蔗糖利用率及比产氢能力的影响  69
  4．3 结论  69-71
第五章 结论与展望  71-73
  5．1 结论  71-72
  5．2 今后工作展望  72-73
参考文献  73-79
成果  79-80
致谢  80

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 基本无机化学工业 > 工业气体 > 氢气
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