毕业论文--MEC制氢城市生活垃圾产氢潜力的研究

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1、学科分类号（二级）480.70本科学生毕业论文（设计）题目MEC制氢城市生活垃圾产氢潜力的研究姓名杨益琼学号104160044院、系能源与环境科学学院专业农业建筑环境与能源工程指导教师李建昌职称（学历）副教授（博士）2014年5月26日云南师范大学教务处制12MEC制氢城市生活垃圾产氢潜力的研究摘要：MEC制氢是利用活性污泥中产电微生物的电化学活性，在电解协助下进一步将发酵制氢末端代谢产物(挥发性有机酸)转化为氢气的一种新的有潜力的产氢技术。为研究城市生活垃圾MEC制氢的可行性，本实验以厌氧活性污泥为接种物，城市生活垃圾为底物，在温度为35℃，pH

2、为中性下，研究电解电压分别为0.0V、0.4V、1.0V和1.6V时的产气量、氢气含量、甲烷含量和电流的变化情况。实验结果表明：城市生活垃圾在不同电压下产生的氢含量与在无电压下产生的氢含量没有明显区别，说明在此条件下，难以通过MEC方式实现城市生活垃圾直接产氢。关键词：微生物电解；产氢；城市生活垃圾1引言能源危机是本世纪即将面临的巨大挑战。据统计，若按目前的水平开采世界已探明的能源，煤炭资源尚可开采100年，石油30~40年，天然气50~60年。生态危机是当今社会已经面临的巨大挑战。石化能源燃料燃烧时所产生的有害物质，严重污染了环境，导致温室效应、

3、全球气候变暖、生物物种多样性降低、荒漠化等诸多生态问题，严重影响着国家的资源安全和社会经济持续发展，威胁着人类的生存。我国是世界上经济发展最为迅速的国家之一，对能源的需求量长期持续高速增长，在现在的能源消耗构成中，除煤炭能够满足自给外，石油和天然气供给远远满足不了经济发展的需要，特别是石油，给我国经济的稳定发展造成不容忽视的负面影响[1-3]。与此同时，城市生活垃圾的不断的增加，给环境造成了很大的负担。据估计，我国城市人均年产生活垃圾440kg，且以年均8%～10%的速度增长，城市生活垃圾的积存量约60×108t[4]。而我国城市生活垃圾的处理方式

4、一般有三种堆肥、卫生填埋和焚烧[5]。现阶段我国仍以垃圾填埋为主要垃圾处理方法，占垃圾处理量的70%，而焚烧只有10%，但由于垃圾填埋场选址要求复杂、严格，我国城市周边符合填埋的场地严重缺乏，卫生填埋已远远满足不了对增长迅速、数量巨大的垃圾处理需求，焚烧势必将发展成为我国今后垃圾处理的主要方法。垃圾焚烧后产生的烟气含有大量有害物质，主要有：粉尘、酸性气体、氨氮化物、有机物（包括二英）及重金属污染物。烟气处理不彻底，排放后很容易产生二次污染。城市垃圾对社会造成了较大的影响，对垃圾进行有效处理是势在必行的。在这样的背景下，开展可再生清洁能源研究对我国不

5、仅具有非常重要的现实意义，同时还具有非常重要的战略意义。微生物电解电池(electrolysiscells，MEC)是在传统发酵制氢的基础上引入电化学技术，是在微生物燃料电池（MFC12）的基础上发展而来的一种新的有潜力的制氢技术[6]，是利用活性污泥中产电微生物的电化学活性，在电解协助下进一步转化为发酵制氢末端代谢产物(挥发性有机酸)为氢气，从而提高制氢效率。MEC制氢技术具有低能耗、环保等优势，是目前国内外研究的热点。MEC是基于厌氧消化过程，是在厌氧、暗条件下，通过抑制产甲烷阶段，发酵性细菌发酵有机质产生氢气。但由于发酵产氢受热力学因素的限制

6、，大量乙酸、丙酸和丁酸等挥发性脂肪酸不能转化为氢气，及所谓的“发酵屏障”[7-8]，因此近几年的研究结果表明，发酵产氢的能源转化率通常不超过15%[9]。为提高转化率，这些有机酸必须进一步转化为氢气，为此有学者把目光转向了光合产氢[10]，进而提出集成光发酵和暗技术[11]，旨在通过光合产氢充分利用产生的末端产物，从而提高氢转化率。但是，该技术仍受光照条件和光反应器的限制[12]。其次，有机挥发酸的积累严重影响了系统稳定性[13]。有学者研究了在甲酸产氢体系中，加入外源乙酸、丙酸和葡萄糖等挥发性有机酸对过程的抑制影响[14]，表明酸性挥发性末端产物

7、的积累是导致不稳定的主要原因之一，并称之为代谢产物的反馈抑制影响。LiuH等[15]利用外加电解电源借助微生物燃料电池的研究手段，进行了乙酸电解协助产氢实验，并获得成功，称之为电解协助微生物产氢，随后报道了其他不同底物以及有机废水制氢[16]，RozendalRA等[17]也进行了这一方面的研究，认为是微生物电催化的作用，并称之为生物催化电解制氢，ChaeKJ等[18]进行该方面的研究，称之为生物电化学电池。在此基础上，李建昌等[19-20]研究了电解协助发酵产氢的基本原理及可行性，并设计了单池电解协助发酵产氢装置。为研究城市生活垃圾MEC制氢的可

8、行性，本实验将采用单池MEC制氢反应器，以厌氧活性污泥为接种物，城市生活垃圾为底物，分别研究在不同电压0v、0.4V、1.