基于生物电化学技术利用薯类淀粉废渣产电产氢的研究-微生物学专业论文.docxVIP

Classified Index: Q93 U.D.C:579 Dissertation for the Master Degree in Science POWER GENERATION AND HYDROGEN PRODUCITON FROM TUBERS WASTE BASED ON BIOELECTROCHEMICAL SYSTEMS MICROBIAL Candidate： Tian Yushi Supervisor： Prof. Xing Defeng Academic Degree Applied for： Master of Science Speciality： Microbiology Affiliation： School of Muni. Envir. Eng. Date of Defence： June, 2013 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -I- -I- 摘 要 目前，随着环境保护的挑战越发的严峻，在我们日常生活中淀粉扮演着不 可或缺的角色，同时淀粉质量的优劣，也影响着我们的身体健康。作为生产淀 粉的原料，在我国北方以马铃薯作为主要的农作物，而在南方大部分地区则以 木薯作为生产淀粉的来源。在利用它们生产淀粉的同时，也伴随着大量的富含 营养物质的附属产物，其中最主要的则是马铃薯废渣和木薯废渣，这些废渣不 仅仅污染周边环境，在腐烂的过程中，形成的废水污染土壤影响植被的生长， 产生的腐臭的气味对空气环境造成污染，影响着人类和动物的健康。当前利用 这类废渣进行再利用的方式主要通过发酵法利用其制作家畜的饲料和或者食品 和饲料的添加剂，或者是作为有机肥料，但是在这个过程中不仅消耗的人力物 力较大，而且只得到了差强人意的成果。通过无污染的降解将这类富含营养的 有机物再利用，进行有效的资源化，将其变废为宝。 实验采用体积为 27cm3，容积为 25mL 的单室空气阴极反应器，分别研究 这两种薯类废渣不同有机物浓度对生物电化学系统产能的影响，从而有效地对 其进行能源化的利用和降解处理，通过处理和产能效果的对比，确定相对合适 的有机物浓度最大化的这类有机废弃物。 实验使用 50mM 的磷酸盐缓冲溶液（PBS）将马铃薯渣稀释成不同的浓度， 分别为 1g/L、5g/L、10g/L、20g/L， 将木薯渣稀释为 1g/L、5g/L、10g/L，先 分别以其作为微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)的底物，当反应器稳 定运行后，进行电化学性能的测试和分析并提取阳极生物膜的 DNA 进行高通 量 测 序 确 定 微 生 物 群 落 之 间 的 关 系 。 接 下 来 将 反 应 器 转 入 微 生 物 电 解 池 （Microbial Electrolysis Cell，MEC）状态，进行气体收集和气体成分分析，计 算反应器产生氢气和甲烷的速率和回收率，从而确定相对合适的有机物浓度， 更好的利用和降解薯类废渣。 通过分析发现，以马铃薯废渣为底物的微生物燃料电池（MFC），当有机 物浓度为 10g/L 时，其产电性能和降解效果最佳，最大功率密度为 32.1W/m3。 454 焦磷酸测序揭示了阳极生物膜微生物种群的多样性，通过高通量测序分析， 其优势菌属是能分解利用淀粉的 Bacterioide 和 Flavobacterium，而产电菌群则 是 Geobacter 和 Dysgonamonas,在该浓度下，两种优势菌群在反应器中相互作用 并形成了协同关系，在降解能力最大的条件下输出最高的电能。 以木薯为底物的微生物燃料电池（MFC）则是 5g/L 浓度条件下产电效果较 好最大功率密度为 18W/m3，但是相比较马铃薯淀粉废渣而言，在电化学方面 -II- -II- 的性能表现都稍逊一筹，这也是由于它们所含有营养物质的成分类似，但是各 种营养物质的含量不同而影响的。由于木薯废渣的淀粉含量相对马铃薯淀粉废 渣较低，纤维素含量较高，导致实验过程中，整体表现为实验周期较长，反应 周期短，固含物降解效率较低，最大电压持续时间短的特点。 实验后期选择产电效果较好的反应器，将两种底物有机物浓度条件为 5g/L、 10g/L 的 MFC 分别由转换成 MEC 状态，进行生物产氢，通过实验的产氢效果 分析，将薯类淀粉废渣利用生物电化学系统的资源化利用进一步深化研究。以 马铃薯淀粉废渣和木薯淀粉废渣为底物的 MEC，5g/L 的有机物浓度条件更适 合 进 行 氢 气 的 生 产 ， 以 马 铃 薯 淀 粉 废 渣 为 底 物 的 MEC 的 最 大 氢 气 产