论文部分内容阅读
随着全球工业化的不断发展,引发的能源危机、环境污染和温室效应问题不断加剧;生物质能作为一种可再生的清洁能源,具有来源广泛、生产安全及制备简单等优点,具有广阔的应用前景。目前,通过厌氧发酵将生物质能转化为气体燃料,是常用的转化生物能源方式;其中包含发酵产氢及再发酵产甲烷的二分法厌氧发酵能够最大化地将生物质能转化为燃料。然而,发酵产氢过程不断累积的脂肪酸会导致发酵尾液pH值过低,严重抑制了微生物的活性,导致发酵产氢与产甲烷阶段的产气量低,产气速率低。目前常用的连续流运行模式、定期更换发酵尾液和稀释发酵液等方法都无法彻底地解决发酵液pH值偏低从而抑制微生物活性的问题;同时,这几种方式也无法彻底降解发酵尾液中的有机物,这实际上减小了系统的产甲烷能力,且若直接排放还会导致一定的环境污染。针对上述问题,本文提出采用微生物电解池（Microbial electrolysis cell,MEC）调控发酵产氢尾液pH值,随后构建厌氧发酵与微生物电合成的耦合系统,实现发酵产氢尾液的深度降解及产CH4。文中针对葡萄糖和甘氨酸为底物进行发酵产氢后的尾液以及藻液水热预处理后发酵产氢后的尾液进行了实验研究,发现均可有效调控pH值,实现发酵产氢尾液的深度降解及利用;同时针对微生物电合成系统性能低下的这一关键瓶颈问题,提出采用壳聚糖对电极表面进行修饰,有效提高了该系统固碳产甲烷的性能。本文主要研究成果如下:（1）针对以葡萄糖和甘氨酸为底物进行发酵产氢后的尾液,采用MEC可有效调控暗发酵尾液的pH值,使得其发酵尾液pH值从4.5上升到8.7（近中性利于后期深度降解）,同时产氢3.65 mmol;在厌氧发酵与微生物电合成构成固碳产甲烷耦合系统中,在21天的降解处理时间内,甲烷产量达到18.8 mmol,化学需氧量（COD）移除率达89%,产出的能量收益是投入能量的3.78倍;反之,未经pH调控的暗发酵尾液在该系统中,60天内几乎无法被降解,甲烷产量几乎为零。（2）针对水热藻液的发酵产氢尾液,采用MEC调控尾液pH,尾液的pH值从4.7升高到9.5,期间产生了8.22 mmol氢气;在构建的厌氧发酵与微生物电合成耦合系统中,经过20天的降解处理,甲烷产量达到55.8 mmol,COD移除率达88%,产出的能量收益是投入能量的3.67倍;反之,未经pH调控的暗发酵尾液在该系统中,38天内几乎无法被降解,甲烷产量几乎为零。将由简单小分子有机物构成的尾液,用蕴含各式复杂大分子有机物的水热藻液发酵液替代,结果表明上述的处理方式具有在生物质能转化方面具有实用性。（3）针对目前固碳产甲烷微生物电合成系统中微生物阴极性能低下这一关键瓶颈问题,构建并启动了采用壳聚糖修饰的微生物阴极。因其表面带有含正电官能团,且生物相容性好,使得微生物阴极从传统的30天启动时间缩短为10天,且电流密度达到0.16 A/m2,远高于未经修饰的微生物阴极电流密度（0.038 A/m2）。相应地,采用壳聚糖修饰的微生物阴极产甲烷速率46 mmol/（m2·d）,是未经修饰的微生物阴极的150倍（0.3 mmol/（m2·d））。这主要是因为采用壳聚糖修饰的微生物阴极表面微生物干重达到5.4 mg/cm2,远高于未修饰阴极的0.22 mg/cm2。同时,研究发现在-0.5到-0.9 Vvs.Ag/AgCl的电位区间内,经壳聚糖修饰的微生物阴极均为高效的直接电子传递方式,其法拉第效率高达90%。