SUPERVISOR
Hamed Zilouei
حمید زیلوئی (استاد راهنما)
STUDENT
Elhamossadat Vaez
الهام السادات واعظ
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Investigation of Factors Affecting Biohydrogen and Biogas Production from Paper Mill Effluent
Using renewable biofuels is an effective way to solve the environmental and economic problems caused due to the over use of fossil fuels. Since the industrial effluent contains high chemical oxygen demand (COD) concentration, it could be sufficiently managed and converted to biofuels such as biohydrogen and biogas via biological processes. In this study biological production of biohydrogen and biogas from paper mill effluent as feedstock in a two stage sequencing system was evaluated. Different pretraetment conditions were tested in order to obtain a mixed microbial inoculum for dark hydrogen fermentation which heat-shock pretreatment of anaerobic sludge at 90 ?C for 15 min was chosen for further experiments. The effect of substrate hydrolysis was investigated using different acidic, thermal- acidic, and alkaline hydrolysis. Alkaline hydrolysis led to the maximum hydrogen yield of 31/1 mL H 2 /g-COD initial which gives 3% improvement of yield comared to control sample. Therefore, paper mill effluent was used without hydrolysis for further experiments. The influence of substrate concentrations, initial pH, and fermentation temperature on biohydrogen production in dark fermentation was investigated. First, the impact of initial pH (5, 6 and 7) on the efficiency of hydrogen fermentation at different concentrations of substrate (3, 5 and 7 g-COD/L) was investigated, which the maximum hydrogen yield was obtained at initial pH of 5 at all amount of substrate concentration. After that, the effect of substrate concentration (3, 5, 7, 10 and 15 g-COD/L) and fermentation temperature (37 and 55 ?C) were investigated on hydrogen production yield. Efficiency of dark hydrogen fermentation for all substrate concentrations was higher at 55 ° C compare to that at 37 °C. The hydrogen production was increased as substrate concentration increased up to 5 g-COD/L, but then it was decreased, and the optimum hydrogen yield of 38.8 mL H 2 /g-COD initial was obtained at substrate concentration and temperature of 5 g-COD/L and 55 ?C, respectively. In the third phase, the effect of initial pH (5, 6 and 7) in the production of biogas at 5 g-COD/L, and was investigated, which the highest methane yield of 213.5 mL CH 4 /g-COD initial was obtained at pH of 7. therefore, at two-stage process, the pH of fermentation and digestion were controlled to 5 and 7, respectively. Maximum amount of hydrogen and methane yield could be obtained. The hydrogen production was maximum at 5 g-COD/L (31.8 mL H 2 /g-COD initial ) compared to methane production at 3 g-COD/L (553.8 mL CH 4 /g-COD initial ) at 37 °C. The highest yield was obtained at 5 g-COD/L (35.1 mL H 2 /g-COD initial ) compared to methane production at 3 g-COD/L (95.5 mL CH 4 /g-COD initial ) at 55 °C. Maximum COD reduced of 88.1 % was afforded at substrate concentration and temperature of 3 g-COD/L and 37 °C, respectively. It was observed that increasing the temperature led to increasing biohydrogen production and decreasing in the temperature led to increasing methane production and COD removal. Keywords Bio-hydrogen, Biogas, Paper mill effluent, Dark fermentation, Anaerobic digestion
استفاده از انرژیهای زیستی تجدید پذیر روشی موثر برای حل مشکلات زیست محیطی و اقتصادی ایجاد شده به سبب استفادهی بیش از حد از انرژی های فسیلی میباشد. پساب های صنعتی به علت داشتن بار آلودگی و میزان اکسیژن خواهی زیاد، مادهی مناسبی جهت تولید انرژیهای زیستی مانند بیوهیدروژن و بیوگاز به عنوان خوراک میباشند. در مطالعهی حاضر، تولید بیوهیدروژن و بیوگاز به ترتیب در فرآیندهای تخمیر تاریک و هضم بیهوازی با استفاده از پساب کارخانهی کاغذسازی به عنوان خوراک بررسی شد. لجن بیهوازی به روش شوک حرارتی به مدت 15 دقیقه در دمای 90 درجهی سانتیگراد پیشفرآوری شد و به عنوان مخلوط میکروبی برای انجام آزمایش های تولید بیوهیدروژن به کار برده شد. این پژوهش در چهار مرحله انجام شد. در مرحلهی اول به منظور آماده سازی پساب برای انجام تخمیر میکروبی، روش های مختلف هیدرولیز شامل هیدرولیز اسیدی، بازی و اسیدی-حرارتی بر روی پساب انجام شد. هیدرولیز اسیدی و اسیدی- حرارتی تاثیری بر افزایش میزان تولید نداشته ولی هیدرولیز قلیایی توانست بازده تولید بیوهیدروژن را افزایش دهد. بیشترین بازده تولید بیوهیدروژن در این آزمایش برای هیدرولیز قلیایی به دست آمد که برابر mL H 2 / g COD initial 1/31 محاسبه گردید و این بازده نسبت به نمونهی شاهد تنها به میزان 3 درصد بهبود یافت. در مرحلهی دوم، تاثیر پارامترهای عملیاتی شامل مقدار اولیهی pH، غلظت سوبسترا و دما بر تولید بیوهیدروژن در فرآیند تخمیر تاریک بررسی شد. ابتدا تاثیر پارامتر pH اولیهی آزمایش (در سه سطح 5، 6 و 7) در غلظت های مختلف سوبسترا (g COD/L 3، 5 و 7) بر تولید بیوهیدروژن بررسی گردیده و این پارامتر جهت رسیدن به بیشترین بازده تولید بیوهیدروژن بهینه شد. بیشترین بازده تولید بیوهیدروژن برای همهی غلظت های سوبسترا در pH اولیهی برابر 5 به دست آمد. سپس در pH بهینه شده، تاثیر پارامترهای غلظت سوبسترا (در پنج سطح g COD/L 3، 5، 7، 10 و 15) و دمای آزمایش (37 و 55 درجهی سانتیگراد) بر تولید بیوهیدروژن بررسی شدند که بازده تولید بیوهیدروژن برای همهی غلظت های سوبسترا، در دمای 55 درجهی سانتیگراد بیشتر از دمای 37 درجهی سانتیگراد به دست آمد. بالاترین بازده تولید بیوهیدروژن در غلظت سوبسترای برابر g COD/L 5 و دمای 55 درجهی سانتیگراد برابر mL H 2 / g COD initial 8/38 محاسبه شد. در مرحلهی سوم، تاثیر pH اولیه در سه سطح (5، 6 و 7) و در غلظت سوبسترای g COD/L 5 بر بازده تولید تجمعی متان بررسی شد که بالاترین بازده تولید متان مربوط به pH اولیهی 7 و برابر ml CH 4 / g COD initial 5/213 اندازهگیری گردید. در انتها تولید هیدروژن و متان در طی فرآیند دو مرحلهای تخمیر تاریک و هضم بیهوازی پشت سرهم برای همان پنج سطح از غلظت سوبسترا و دو سطح از دمای آزمایش مورد بررسی قرار گرفت. در دمای 37 درجهی سانتیگراد بهترین بازده تولید بیوهیدروژن و متان به ترتیب در غلظت های سوبسترا برابر g COD/L 5 و g COD/L 3 به دست آمد که به ترتیب برابر mL H 2 /g COD initial 8/31 و mL CH 4 /g COD initial 8/553 میباشد. در دمای 55 درجهی سانتیگراد بهترین بازده تولید هیدروژن و متان به ترتیب در غلظت های سوبسترا برابر g COD/L 5 و g COD/L 3 به دست آمد که به ترتیب برابر mL H 2 /g COD initial 1/35 و mL CH 4 /g COD initial 5/95 میباشد. مشاهده شد که افزایش دما منجر به افزایش تولید بیوهیدروژن و کاهش دما منجر به افزایش تولید متان و حذف COD بیشتر گردید. کلمات کلیدی: بیوهیدروژن، بیوگاز، پساب صنایع کاغذسازی، تخمیر تاریک، هضم بیهوازی