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铁基纳米颗粒强化浒苔厌氧发酵产氢的研究

摘要

利用浒苔等藻类废弃物进行厌氧发酵生物制氢可以同时实现清洁能源的生产和固

体废弃物的资源化利用，给社会带来巨大的生态效益和经济效益。但藻类厌氧发酵过程

中存在着底物利用率和产氢效率比较低的问题，严重阻碍了对于浒苔废弃物的资源化利

用。针对以上问题，本课题使用低能耗、无危害的铁基纳米颗粒（NPs）添加剂来强化

浒苔废弃物发酵产氢，并通过CFD手段为反应器搅拌装置的优化提供了意见和建议。

首先通过静态批次试验探究了铁基NPs的种类和浓度对于浒苔厌氧发酵产氢的影

响。研究结果表明，与对照组相比，FeNPs、FeONPs和FeONPs在最佳添加浓度条

2334

65.28%43.61%43.30%FeNPs400mg/L

件下的产氢量分别提高了、和。当的添加浓度为

时，具有最好的产氢促进效果，浒苔产氢率最高为12.15mL/g-底物。动力学分析表明，修

正的Gompertz模型可以更好的预测铁基NPs强化浒苔厌氧发酵的产气规律。

CSTR-

其次针对连续流反应器启动困难，运行效率低的问题，提出了糖蜜浒苔替

换的启动运行策略，在第18d实现了反应器的快速启动，在第99d获得了完全以浒苔

为底物并稳定运行的发酵产氢系统。通过向反应器内投加铁基NPs添加剂的方式提高浒

FeNPsCSTR

苔发酵产氢的效率，结果表明，对于反应器的产气促进效果最好，反应器

13.10L/d10.48L/d25%COD

的日均产气量可达，相比于对照组（）提高了，平均去除

率最高为33.41%。添加铁基NPs之后，微生物群落的多样性有所减少，但梭菌属

(Clostridium)的相对丰度明显提高，反应器内部形成了以梭菌属(Clostridium)和拟杆菌属

(Bacteroides)为主的优势菌群，明晰了铁基NPs促进浒苔发酵产氢的微生物层面的原理。

最后利用CFD流体仿真技术对不同的搅拌桨类型（桨式搅拌桨、45°斜叶涡轮搅

0.30.40.5

拌桨和六直叶圆盘涡轮搅拌桨）和不同桨槽径比（、和）条件下的反应器内部

45

污泥扰动和流场流态进行数值模拟。结果表明，°斜叶涡轮搅拌桨对于污泥和料液的

混合效果最好，流场分布比较均匀，能最大程度缓解污泥分布不均匀的问题；45°斜叶

0.4

涡轮搅拌桨在桨槽径比为的条件下，搅拌桨可以对反应器壁面进行冲击并形成上下

两个涡流，在保证反应区污泥均匀分布的同时速度场比较稳定。

本研究通过使用铁基NPs外源添加剂和优化反应器搅拌装置的方式强化了浒苔厌

氧发酵产氢的效率，为实现藻类固体废弃物的规模化应用提供理论依据和重要参考。

关键词：藻类废弃物；厌氧发酵产氢；纳米颗粒；流体仿真

铁基纳米颗粒强化浒苔厌氧发酵产氢的研究

ABSTRACT

TheuseofEnterographyandotheralgalwastesinanaerobicfermentationforbiological

hydrogenp