必威体育精装版废水中产生能源和燃料.ppt

1、废(污)水厌氧发酵制沼气 作为废(污)水厌氧处理和污泥厌氧消化过程的副产物，沼气是一种极具使用价值的“绿色”可再生能源。 沼气能源的有效利用 对沼气能源的利用主要是通过能量转换将其变成生产过程所需的热能与电能如表l所示，实现沼气高效利用的原则是“就地利用”与“热电联用”。 1.1废(污)水厌氧发酵制沼机理 目前为止，对厌氧发酵制取沼气技术机理的研究比较成熟。沼气发酵的过程，实际上是微生物的物质代谢和能量转换过程，在分解代谢过程中微生物获得能量和物质，以满足自身生长繁殖，同时大部分物质转化为甲烷和二氧化碳。其基本过程通常可分为液化、产酸、产甲烷3个阶段，前2个阶段合称为不产甲烷阶段，不过目前比较权威的是把沼气发酵理论分为2阶段厌氧发酵理论和3阶段厌氧发酵理论。 2 废水厌氧发酵制氢气 氢气素有清洁能源之称，其能量密度高(是普通汽油的3倍)，是一种十分理想的载能体，目前特别是氢燃料电池，其高效性带来的良好经济前景和环保优势，极大地促进了人们对氢能的广泛重视。 利用工农业有机废水厌氧发酵制氢，具有效率高，能耗低，污染少，成本低等优点，可同时实现产能和除废的双重目的，是最具发展潜力的制氢方法之一。 2.1废水发酵生物制氢机理 根据末端发酵产物的组成，将产氢发酵机理分为三类：丁酸型、丙酸型和乙醇型发酵。 2.1废水发酵生物制氢机理 在各产氢机理中，H2形成的方式主要有两种： 一是丙酮酸脱氢系统，在丙酮酸脱羧脱氢生成乙酰的过程中，脱下的氢经铁氧还原蛋白的传递作用而释放出分子氢。 二是NADH／NAD平衡调节产氢，当有过量还原力形成时，以质子作为电子沉池而形成氢气。 2.2发酵制氢的二种技术 2.2发酵制氢的二种技术 从表3中我们可以看出：活性污泥法发酵制氢技术更具有工业化应用的潜力。然而，为进一步提高系统产氢能力，充分利用实际有机废水中多种复杂的有机物，应将两类技术结合起来。 2.3废水发酵制氢技术的应用展望 废水的选择：由机理可知，无论是乙醇型还是丁酸型发酵，参与相应发酵类型的细菌均偏爱碳水化合物类底物。而国内外相关实验所用底物大多数亦集中在糖和淀粉上，包括糖厂和淀粉厂的高浓度有机废水。 Liu Min采用CSTR研究利用糖蜜废水、淀粉废水与牛奶废水生物制氢，并结合产氢理论讨论了碳水化合物(糖类)、脂类和蛋白质类有机物用于厌氧发酵制氢工业化生产的可行性。研究证明，碳水化合物是目前技术条件下最具有可能性的原材料，后两类物质虽然在理论上可行，但作为产氢底物是不合适的。 2.3废水发酵制氢技术的应用展望 氢气与沼气同步回收： 发酵法生物制氢的产率较低，能量转化率一般只有33％左右。瑞士Denac等通过糖蜜废水厌氧降解动力学模型试验得出，在酸性条件下抑制产甲烷过程，利用单糖产氢只可获碍约30％的COD转化率，造成了废水中能源的浪费。而乙酸、乙醇及丁酸无论是作为甲烷发酵的产酸相还是作为产氢发酵系统的液相末端发酵产物，都是最理想的。因此，通过控制设计参数与运行条件，在实现废水发酵产氢的同时，利用其产酸废液进一步进行甲烷发酵，回收沼气能源，是今后一个重要研究方向。 3微生物燃料电池 从废(污)水中回收沼气和氢能源的一大应用领域是制造燃料电池。该能源利用方式的特点在于将废水中所蕴含的能量通过生物质能(沼气、H2)这种中间形式间接转化为电能。然而常规燃料电池不但需要昂贵的化学催化剂在高温下促进电子供体的氧化，而且因为H2或CH4具有高度的爆炸性和毒性，需要做高度的纯化。 微生物燃料电池(microbial fuel cell，MFC)是一种在常温、常压、中性条件下，以微生物作为催化剂利用电化学技术将可降解有机物中的化学能直接转化为电能的装置。与常规燃料电池相比，MFC具有更高的能量转化率，无需额外的气体处理单元，而且将其与废水处理过程相结合时，可以获得比废水发酵制氢技术更高的COD去除率，是一种极具吸引力的新型电力能源。 3.1微生物燃料电池(MFC)的产电机理 MFC的产电机理由五步骤组成: (1)底物氧化。在阳极室内厌氧环境中，微生物将有机底物氧化，产生电子、质子及代谢产物。阳极反应 式：C6H1206+6H20→6C02+24H++24e一(E0=0.014V)。 (2)阳极还原。产生的电子从微生物细胞传递至阳极表面，使电极还原。 (3)外电路电子传输。电子经由外电路到达阴极。 (4)质子迁移。阳极反应产生的质子(H+)从阳极室迁移至阴极表面。 (5)阴极反应。电子受体(如O2等)与阳极传递来的质子和电子于阴极表面发生还原反应。阴极反应 式：602+24H++24e-→12H20(EO=1.23V)。 其中，前两步骤是整个反应的限速步骤，即电子的产生与传递效率是影响MFC输出功率最重要的因素。 3.2 MFC反应器的类型 MFC