论文部分内容阅读
在有机废水处理系统中，厌氧发酵将有机化合物的化学能转化为生物H2和CH4气体，这已被证明是最经济的生物气体的产生方法之一。但是传统的厌氧发酵仍存在一些缺点，为使厌氧发酵技术能够大规模资源化应用，需要对厌氧发酵性能进行强化研究，从而提高厌氧发酵降解有机物和产能(如H2和CH4)的效率。碳基材料的应用已被广泛证明有助于通过厌氧发酵提高氢气和甲烷的产生效率，主要包括石墨毡、碳布、生物炭、活性炭和碳纳米管。可作为微生物载体，促进微生物繁殖和生长。此外，石墨和活性炭因具备适宜的电导性可促进厌氧发酵系统内微生物的种间直接电子转移(DIET)。元素掺杂可以很好地改善碳材料的理化特性，如非金属氮，金属元素铁、钴、镍等，氮元素可以导致电子转移能力提高，碳氮(NC)键可以优化材料的孔间结构和增加层间距离，提高电子传输能力。但是氮掺杂碳材料用于厌氧发酵产能领域的研究鲜有报道。基于氮掺杂碳材料的生物相容性和良好的导电特性，是可以预见作为强化厌氧发酵的一种良好的添加剂。因此，本论文研究以不同的氮掺杂碳材料为研究对象，研究它们对厌氧发酵过程的影响机制。
(1)以农业废弃玉米芯粉末为原料，采用高温热解方式制成氮掺杂生物炭材料(NDBC)和未掺杂的生物炭(BC)探究二者对微生物厌氧发酵产氢的影响机理。与玉米芯直接衍生的BC相比，NDBC的发酵产氢性能更加优异。在600mg/L NDBC时，产氢量最高(230mL/g葡萄糖)，分别比对照组(140mL/g)和BC组(159mL/g)高64.3%和44.6%。NDBC能降低Dysgonomonas的丰度，增加Clostridium的丰度，有利于通过丁酸型发酵途径产生更多的氢气。富含氮原子的NDBC材料明显增加了导电性，从而促进了生物体内的电子转移。
(2)通过化学交联法成功制备了淀粉氮磷掺杂碳(NPSC)。研究NPSC对中温厌氧发酵产氢系统性能的影响。在暗发酵过程中，NPSC可以有效提升氢气产量。其中淀粉衍生炭(SC)的最佳浓度为400mg/L，而NPSC的最优浓度为600mg/L，相对于空白组分别提高了35.98%和61.79%。而且通过NPSC的加入可以影响微生物的群落结构，提升Clostridium butyricum的丰度，相比于对照组(19.09%)提升至(30.87%)，改善发酵途径向丁酸型发酵转变，并增加了底物利用率，从而进一步提高了H2产量。
(3)以活性炭和双氰胺为原料，先在1.10-菲啰琳乙醇溶液的油浴作用下，然后干燥后通过管式炉制备了磁性氮掺杂活性炭材料(NDAC)，在体系中，NDAC浓度为600mg/L时，产氢量最高(304.58mL/g葡萄糖)，分别比空白组和AC组高51.94%和20.57%。而且NDAC有较好的磁性，可以回收利用。
(4)以玉米芯粉末、三聚氰胺和氯化锌为原料，制成氮掺杂生物炭材料(NBC)，然后通过负载磁铁矿制备磁性氮掺杂生物炭(Fe-NBC)。以研究NDAC和Fe-NBC两种不同的磁性氮掺杂碳材料对微生物厌氧发酵产甲烷过程的影响。
通过累积甲烷量和动力学模型分析，NDAC组和Fe-NBC组的最大产甲烷量分别为(305.71mL/g乳酸)和(315.91mL/g乳酸)，比空白组(226.48mL/g乳酸)提高了35.50%和39.50%。而且NDAC组和Fe-NBC组的最大产甲烷速率分别从59.253mL/(g·h)提升至82.914mL/(g·h)和98.378mL/(g·h)。说明二者均可以有效促进产甲烷的速率和产量，而且Fe-NBC组的促进效果最好。
(1)以农业废弃玉米芯粉末为原料，采用高温热解方式制成氮掺杂生物炭材料(NDBC)和未掺杂的生物炭(BC)探究二者对微生物厌氧发酵产氢的影响机理。与玉米芯直接衍生的BC相比，NDBC的发酵产氢性能更加优异。在600mg/L NDBC时，产氢量最高(230mL/g葡萄糖)，分别比对照组(140mL/g)和BC组(159mL/g)高64.3%和44.6%。NDBC能降低Dysgonomonas的丰度，增加Clostridium的丰度，有利于通过丁酸型发酵途径产生更多的氢气。富含氮原子的NDBC材料明显增加了导电性，从而促进了生物体内的电子转移。
(2)通过化学交联法成功制备了淀粉氮磷掺杂碳(NPSC)。研究NPSC对中温厌氧发酵产氢系统性能的影响。在暗发酵过程中，NPSC可以有效提升氢气产量。其中淀粉衍生炭(SC)的最佳浓度为400mg/L，而NPSC的最优浓度为600mg/L，相对于空白组分别提高了35.98%和61.79%。而且通过NPSC的加入可以影响微生物的群落结构，提升Clostridium butyricum的丰度，相比于对照组(19.09%)提升至(30.87%)，改善发酵途径向丁酸型发酵转变，并增加了底物利用率，从而进一步提高了H2产量。
(3)以活性炭和双氰胺为原料，先在1.10-菲啰琳乙醇溶液的油浴作用下，然后干燥后通过管式炉制备了磁性氮掺杂活性炭材料(NDAC)，在体系中，NDAC浓度为600mg/L时，产氢量最高(304.58mL/g葡萄糖)，分别比空白组和AC组高51.94%和20.57%。而且NDAC有较好的磁性，可以回收利用。
(4)以玉米芯粉末、三聚氰胺和氯化锌为原料，制成氮掺杂生物炭材料(NBC)，然后通过负载磁铁矿制备磁性氮掺杂生物炭(Fe-NBC)。以研究NDAC和Fe-NBC两种不同的磁性氮掺杂碳材料对微生物厌氧发酵产甲烷过程的影响。
通过累积甲烷量和动力学模型分析，NDAC组和Fe-NBC组的最大产甲烷量分别为(305.71mL/g乳酸)和(315.91mL/g乳酸)，比空白组(226.48mL/g乳酸)提高了35.50%和39.50%。而且NDAC组和Fe-NBC组的最大产甲烷速率分别从59.253mL/(g·h)提升至82.914mL/(g·h)和98.378mL/(g·h)。说明二者均可以有效促进产甲烷的速率和产量，而且Fe-NBC组的促进效果最好。