SUPERVISOR
Hamed Zilouei
حمید زیلوئی (استاد راهنما)
STUDENT
Ismail Mirzaei Teshnizi
اسماعیل میرزائی تشنیزی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Development and Evaluation of Biofilm Reactor to Produce Biohydrogen via Dark Fermentation using Industrial Wastewater
Excessive use of fossil fuels has led to a lot of environmental and economic problems. Therefore, using renewable resources as alternative for achieving energy is an interesting subject for both governments and researchers. Industrial wastewaters, due to high organic content, are suitable feedstocks to use as biomass for production of biofuels. The potential of sequence biohydrogen and biomethane production via dark fermentation and anaerobic digestion in 118-ml bottles as batch reactor was investigated. Anaerobic sludge from the north-east sewage treatment plant of Isfahan was used as inoculum for anaerobic digestion while it was shock-heat pretreated at 90 °C for 15 min to use as inoculum for dark fermentative biohydrogen production. In batch flasks, the effect of different concentration of initial COD (1.5, 3, 4, 6, 7, 11 and 15 g COD / L) on biohydrogen production was investigated at 37 °C and initial pH of 5.2. The headspace gas production was measured at specified intervals of 6, 12, 24, 48, 72 and 96 hr. Increasing COD up to 7 g COD per liter caused enhancement of hydrogen production, while it was declined at higher concentrations of initial COD. The best production efficiency of biohydrogen was obtained at an organic concentration of 7 g COD per liter equal to 42.03 ml hydrogen per gram initial COD. The maximum amount of produced biogas in these experiments was obtained at concentration of 4 g COD per liter, at which 140.9 ml methane was obtained in 66.3% methane content. However, the best quality in terms of the composition of methane (69.6% methane in biogas) was obtained at concentration of 3 g COD / L. The main purpose of this study was to produce biohydrogen via dark fermentation in a continuous biofilm fixed bed reactor using industrial wastewater as feedstock. A reactor with 1.5-L working volume was constructed using Kaldness-k3, pre-embedded into the two lattice screens (by height of 19 cm) within the column, as a packed bed for growth of biofilm. The reactor contain a recycle flow in which the effluent stream was recycled (120 ml/min) to the influent feed and create an up flow pattern through the biofilm. The temperature of 37 °C was set in the reactor using water-flow jacket. The reactor was inoculated with heat-shock pretreated anaerobic microbial mixture and operated in batch mode for startup in order to stabilize the appropriate biofilms. The influence of different hydraulic retention times (HRTs) on the performance of the reactor was studied by using different feed flow rates. At the startup period, the HRT was changed from 125 to 35 h and in the operating period HRTs from 22 to 1.5 were used (all the HRT periods are as follows: 125,52,35,22,15,12,10,7.5,4,3 and 1.5 h.). The performance of the reactor was studied by using the hydrogen production efficiency (total biogas production and its hydrogen composition), analysis of volatile fatty acids (VFAs) present in the effluent of the reactor, and COD reduction potential of the system. The gas production rate was enhanced by decreasing the HRT. The highest hydrogen production rate of 19.6 ml hydrogen per min was obtained at HRT of 1.5 h. However, the optimum HRT to produce higher hydrogen composition was obtained at HRT of 12 h with 41.2% hydrogen content. The reduction of COD content of wastewater was observed between 39% to 50% among all studied HRTs. The highest yield of hydrogen production equal to 136.9 ml per COD consumed was obtained at HRT of 7.5 h. The most important volatile fatty acid produced in the fermentation process of continuous hydrogen production was propionic acid (accounting for 70% of the total VFAs). Keywords: biohydrogen, biogas, bioreactor, biofilm, kaldness, dark fermentation, anaerobic digestion
به منظور حل مشکلات زیستمحیطی و اقتصادی ناشی از گرایش بیش از حد به سوختهای فسیلی، انرژیهای زیستی تجدید پذیر میتواند جایگزین مناسب باشد. پسابهای صنعتی به علت داشتن بار آلودگی و میزان اکسیژن خواهی زیاد و نیز پتانسیل آلایندگی بسیار بالایی که برای محیط زیست دارند، در عین حال خوراک مناسبی جهت تولید انرژیهای زیستی مانند بیوهیدروژن و بیوگاز به میباشند. در پژوهش حاضر، استفاده از شیرابه کارخانه کود آلی به عنوان خوراک برای تولید بیوهیدروژن طی فرآیند تخمیر تاریک در سیستمهای پیوسته و ناپیوسته و نیز تولید بیوگاز طی فرایند هضم بیهوازی در سیستم ناپیوسته بررسی شد. در آزمایشهای تولید بیوهیدروژن مخلوط میکروبی مورد استفاده لجن بیهوازی تصفیهخانه فاضلاب شمال شرق اصفهان بود که به روش شوک حرارتی به مدت 15 دقیقه، در دمای 90 درجهی سانتیگراد پیش فرآوری شد. ابتدا تأثیر بار آلی خوراک (شیرابه کارخانه کود آلی) بر میزان بیوهیدروژن تولیدی در 7 سطح از غلظت خوراک (5/1، 3، 4، 6، 7، 11 و 15 گرم COD بر لیتر) در دمای 37 درجه سانتیگراد و در pH اولیه 2/5 در فلاسک ناپیوسته (بطری بیهوازی 118 میلی لیتری)مورد بررسی قرار گرفت. گاز تولیدشده در فواصل زمانی مشخص 6، 12، 24، 48، 72 و 96 ساعت اندازهگیری شد. در سیستم ناپیوسته با افزایش غلظت بار آلی تا 7 گرم COD بر لیتر تولید هیدروژن افزایش و پس از آن روند نزولی داشت. بهترین بازده تولید بیوهیدروژن در غلظت بار آلی 7 گرم COD بر لیتر با تولید 03/42 میلیلیتر هیدروژن بر گرم COD اولیه خوراک گزارش شد. در ادامه از این نمونهها در فرآیند هضم بیهوازی به منظور تولید بیوگاز (با افزودن مخلوط میکربی لجن بیهوازی به عنوان مایه تلقیح) استفاده شد. بیشینه مقدار بیوگاز تولیدی در این آزمایشها در غلظت 4 گرم COD بر لیتر حاصل شد که در این غلظت از بار آلی به ازای هر گرم از COD اولیه مقدار 9/140 میلیلیتر متان تولید شد. در این غلظت ترکیب درصد متان تولیدی 3/66 درصد از کل گاز تولیدی گزارش شد. با این حال بهترین کیفیت از نظر ترکیب درصد متان تولیدی در غلظت 3 گرم COD بر لیتر به دست آمد که در این غلظت، ترکیب درصد 6/69 درصد برای متان حاصل شد. هدف اصلی این پژوهش توسعه و بررسی عملکرد راکتور بیوفیلمی بستر ثابت برای تولید بیوهیدروژن می باشد. لذا یک راکتور با حجم عملیاتی 5/1 لیتر دارای جریان برگشتی و جریان رو به بالای مایع در راکتور ساخته شد. ازکاندنس-کا3 بعنوان بسترهای پلیمری برای تثبیت و توسعه بیوفیلم استفاده شد که درون فضایی به ارتفاع 19 سانتیمتر محدود به دو صفحه مشبک در قسمت پایین ستون به صورت تصادفی تعبیه شد. دمای محلول داخل راکتور از طریق عبور آب گرم از ژاکت اطراف راکتور در دمای 37 درجه سانتیگراد تنظیم شد. خوراکدهی با دبیهای مختلف به منظور کنترل و بررسی زمانماند هیدرولیکی و تأثیر آن در راندمان تولید بیوهیدروژن انجام شد. زمانهای ماند هیدرولیکی 125، 52، 35، 22، 15، 12، 10، 5/7، 4، 3 و5/1 ساعت از طریق تنظیم جریان ورودی خوراک تنظیم شد. به عنوان پاسخ عملکرد راکتور، مقدار تولید هیدروژن و کل گاز و درصد هیدروژن در گاز، میزان کاهش در بار آلی خروجی راکتور از طریق آنالیز CODو میزان اسیدهای چرب فرار در محلول خروجی راکتور اندازه گیری شدند. به طور کلی با کاهش زمانماند نرخ تولید گاز افزایش یافت. بیشینه نرخ تولید هیدروژن در زمانماند 5/1 ساعت و برابر 6/19 میلیلیتر هیدروژن بر دقیقه گزارش شد. با این حال زمانماند مطلوب برای تولید بیوهیدروژن از نظر حصول ترکیب درصد هیدروژن بالاتر در زمانماند 12 ساعت با 2/41 درصد هیدروژن گزارش شد. همچنین میزان کاهش بار آلی در همه زمانهای ماند بین 39 تا 50 درصد گزارش شد. همچنین بیشترین حجم بیوهیدروژن به ازای مقدار بار آلی مصرفشده در زمانماند 5/7 ساعت و برابر 9/136 میلیلیتر بر COD مصرفشده، حاصل شد. مهمترین اسید چرب فرار تولیدی در فرآیند تخمیری تولید پیوسته هیدروژن، پروپیونیک اسید مشتمل بر 70 درصد از کل حجم اسیدهای چرب فرار تولیدشده، گزارش شد. کلمات کلیدی: بیوهیدروژن، بیوگاز، بیوراکتور، بیوفیلم، کالدنس، تخمیر تاریک، هضم بیهوازی