生物制氢反应器的启动运行与污泥产氢影响因素分析

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1、哈尔滨理工大学工学硕士学位论文1．1导言第1章绪论现今全球的能源需求基本依赖于化石能源，大约占目前全世界能源需要求的80％。这将导致有限的化石能源在不久的将来消耗殆尽。目前，化石燃料的广泛使用，致使全球气候变暖进一步恶化。这主要是因为化石燃料在燃烧过程中会释放出诸如COx，NOx，SOx，CxHx，粉尘以及其他有机化合物，而这些物质都会逸散至大气中。为了解决化石燃料大幅减少以其对环境影响的问题，氢气被认为是将来新能源的理想载体。氢气不仅是一种主要能源，也可以充当基质，通过诸如核能，太阳能而贮存，转化和利用以满足我们对能源的需求。氢作为宇宙最

2、丰富的元素，构成了将近3／4的物质。大气中含有大约0．07％的氢，而地表大概含有0．14％。它是最轻的元素。l升氢气的质量为0．09克，而1升的空气的质量为1．2克。氢气具有很高的燃烧值，当以液态水为产物时为3042cal／m3。因此，氢气被为时清洁、无污染的燃料。与其他气态燃料相比，如水煤气，氢气对人类和环境都是无害的【I’21。由于快速的工业化和城市化，现今环境污染愈加恶劣。寻求新清洁能源以满足不断增长的需求这一课题，也相应地受到了广泛关注。氢气的用途广泛，可以大致分为以下几个范畴：(1)作为还原剂：氢气常用于生产小分子化合物；饱和化合

3、物，碳水化合物的裂解，去除含硫和含氮化合物；(2)作为氧气的清除剂：氢气常用于化学去除痕量氧气，以防止氧化和腐蚀；(3)作为火箭引擎的燃料；(4)利用它独特的物理特性而作为发电机内部的冷冻剂。上述所提及利用氢气的领域相当于现今总能源消耗的3％，而且预计比重在不久将来会大幅增加。目前氢气主要通过化石燃料，生物质和水生产。以化石燃料为原料制备氢气的方法主要有以下几种：天燃气的重整，天燃气的热裂解，煤的汽化以及部分氧化重石脑油烃类。生物质制备氢气的方法如下：裂解或汽化，在制备氢气的同时会产生其他气体，如甲烷、二氧化碳、一氧化碳和氮气等。利用水产氢

4、的方法有：电解，光解，热化学处理，直接热分解或热裂解和生物产氢【3‘5】。上述所列举的产氢方法，约90％是通过天燃气或是轻油在高温蒸汽流下的分解(蒸汽重整)。煤的汽化和水的电解也用于工业制氢。这些工业方法主要通过消耗化石燃料或是水gJr,!¨o】。然而，无论是热化学还是电化学产氢，都是能源密哈尔滨理工大学工学硕士学位论文集型的生产，都会一定程度上对环境造成污染。生物制氢却能够在常温常压下实现。除此之外，生物产氢可以利用各式的废弃物质，从而实现废弃物的资源化。1．2生物制氢工艺、1．2．1利用藻类和蓝藻进行水的生物光解制氢这种方法的过程类似于

5、植物和藻类的光合作用，但是调整中间过程以产出氢气而不是碳水化合物。光合作用涉及两个不同的光合系统，它们是水分解及氧气释放系统(PSII)，会生成用于还原C02还原剂的第二光系统(PSI)。在这两个系统中，每个系统所产生的一个光子，用于去除水中的一个质子，或用于还原C02或是生成H2。而绿色植物仅仅会发生C02的还原，因为它们缺乏产氢酶[51。真核生物，如微藻，绿藻和原核生物，如蓝藻、蓝绿藻，均含产氢酶，因此能够在特定的情况下进行产氢。藻类进行水的生物光解可用下列简单的途径概述：H20—PSII—PSI—Fd一产氢酶一H2l021．2．2利用

6、光合成细菌进行有机物的光分解制氢光合细菌体内只含有光合系统PSI。一般认为光合细菌产氢的机理是光子捕获到光合作用单位后，其能量被送到光合反应中心，进行电荷分离，产生高能电子，并造成质子梯度。从而合成ATP。产生的高能电子从Fd通过Fd-NADP+还原酶传至NADP+形成NADPH，固氮酶利用ATP和NADPH进行H+还原成H2⋯】。光合细菌的主要优点如下：(1)相对较高的理论转化产量；(2)缺少产生氧气；(3)能够私用较宽波长的光；(4)可以消耗来源于废弃物的有机质，因此可用于废弃物的处理。光发酵的总体生化途径可以表达如下：(CH202)一

7、铁氧还原蛋白一固氮酶一H2fATPfATP1．2．3有机物厌氧发酵产氢近年来光合成细菌已被大量研究，而相对来说，厌氧发酵则并未受到重视。但是厌氧发酵产氢的工业化优点如下：(1)发酵产氢菌拥很高的产氢速率；(2)发哈尔滨理工大学工学硕士学位论文酵产氢菌能够利用有机物连续产氢；(3)发酵产氢菌拥有良好的生长速率，能够有效为产氢系统提供充足的菌源。因此，发酵比光化学在利用细菌进行大规模产氢中更具有优势。厌氧发酵产氢通过以下因素有效的偶联能够实现最大化。(1)一种易取得，并能够提供大量电子的泵；(2)一种高效的产氢酶。几种产氢方法的优缺点见下表1．

8、1。表1．1不同类型生物产氢的优缺点比较Table1-1Meritsanddemeritsofdifferentbiologicalprocessesforhydrogenpro