兩種底物厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫能力的比較*

李永峰， 劉 ， 張 敏

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 2016202；2.東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150040）

能源是人類進(jìn)行生產(chǎn)和賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，它和材料、信息等一起被認(rèn)為是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的三大要素。生物能源的開(kāi)發(fā)和利用是當(dāng)今世界研究的熱門課題，而氫能作為一種高效、無(wú)污染的清潔能源，被認(rèn)為是最具有發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉粗弧?/p>

我國(guó)糖廠的年生產(chǎn)能力高達(dá) 1.6×107t[1～3]，糖廠廢液的直接排放不僅造成了水環(huán)境污染，同時(shí)也造成了再生資源的巨大浪費(fèi)。另外，赤糖廢水中有機(jī)物含量高，可生化降解性好，利用以上兩種碳水化合物含量較高的有機(jī)廢水進(jìn)行氫氣的生產(chǎn)，這不僅消除了污染，而且產(chǎn)生了新的清潔能源，是我國(guó)目前在面臨能源短缺的情況下，利用廢水達(dá)到資源化的一種新途徑，同時(shí)也為清潔能源的生產(chǎn)開(kāi)辟了新道路[4]。

本試驗(yàn)借鑒廢水生物處理的厭氧工藝，采用厭氧發(fā)酵生物制氫的反應(yīng)設(shè)備，以甜菜制糖廠的廢糖蜜和人工稀釋的赤糖為底物，對(duì)其進(jìn)行了連續(xù)流發(fā)酵制氫試驗(yàn)，測(cè)定底物變化對(duì)CSTR反應(yīng)器的產(chǎn)氫效能及液相末端產(chǎn)物的影響。本研究為采用什么物質(zhì)作為底物厭氧發(fā)酵最具有工業(yè)應(yīng)用的可能性奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)推進(jìn)工業(yè)化的進(jìn)程具有重要的意義[5,6]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用連續(xù)流攪拌槽式反應(yīng)器（CSTR）為試驗(yàn)裝置，結(jié)構(gòu)如圖1所示，該反應(yīng)器的總?cè)莘e為19.4 L，有效容積為7.0 L,反應(yīng)器內(nèi)部有三相分離器，使氣、液、固三相很好的分離，有利于氣體的傳質(zhì)與釋放。試驗(yàn)的HRT維持在6.2h，整個(gè)反應(yīng)器采用外纏電熱絲加熱方式，將溫度控制在(35±1)℃。

圖1 CSTR厭氧反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of the CSTR reactor for biohydrogen production from brown sugar

1.2 分析檢測(cè)方法

采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法[7]測(cè)定COD、VSS、SS。pH和ORP用pHS-25型酸度計(jì)測(cè)量，產(chǎn)氣量用LML-1型濕式氣體流量計(jì)計(jì)量。

采用GC-122型氣相色譜定量的測(cè)試液相末端發(fā)酵產(chǎn)物（VFAs）組分及含量。氫火焰檢測(cè)器，不銹鋼色譜填充柱長(zhǎng)2.0m，擔(dān)體為GDX-103型，60～80目。柱溫、氣化室和檢測(cè)室溫度分別為190℃、220℃、220℃。氮?dú)庾鳛檩d氣，流速為30mL/min，每次進(jìn)樣量為1uL。

發(fā)酵氣體產(chǎn)物及組分采用SC-Ⅱ型氣相色譜測(cè)定，熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD），不銹鋼色譜填充柱長(zhǎng)2.0m,擔(dān)體Porapark Q,50～80目。采用氮?dú)鉃檩d氣，流速30mL/min，每次進(jìn)樣量為0.5uL。

2 結(jié)果與討論

2.1 底物變化對(duì)產(chǎn)氫效能的影響

圖2所示為底物變化對(duì)產(chǎn)氫量和氫氣含量影響變化的曲線圖。

在反應(yīng)器啟動(dòng)的第6 d，反應(yīng)器開(kāi)始產(chǎn)氣，這表明預(yù)處理過(guò)的厭氧活性污泥在啟動(dòng)期間仍然保持較高的生物活性。反應(yīng)運(yùn)行初期以糖蜜為底物，系統(tǒng)中的微生物適應(yīng)厭氧環(huán)境要經(jīng)歷一定的變化，致使氫氣產(chǎn)量和氫氣含量較低，呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)性。后續(xù)隨著微生物活性逐漸恢復(fù)，從第14 d開(kāi)始，氫氣產(chǎn)量及含量開(kāi)始增加并逐漸趨于平衡，在經(jīng)過(guò)29 d的運(yùn)行后系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，獲得的氫氣產(chǎn)量及氫氣含量分別為0.63 L/d和20.7%。這說(shuō)明在底物濃度相對(duì)穩(wěn)定的情況下，反應(yīng)器中微生物的產(chǎn)氫能力已經(jīng)達(dá)到最大。第30 d系統(tǒng)的底物發(fā)生變化，用同一濃度負(fù)荷的有機(jī)底物赤糖代替糖蜜廢水厭氧發(fā)酵。底物改變初期，系統(tǒng)的產(chǎn)氫量和氫氣含量出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，出現(xiàn)一個(gè)最小值分別為0.20 L/d和15.2%，這是因?yàn)榈孜锿蝗桓淖儗?duì)系統(tǒng)造成了一定的沖擊，從而使得微生物活性也發(fā)生了變化。經(jīng)過(guò)12 d的馴化，微生物活性逐漸恢復(fù)，產(chǎn)氫量和氫氣含量再次呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。但由于發(fā)酵系統(tǒng)呈現(xiàn)過(guò)酸的趨勢(shì)，使得產(chǎn)氫量再一次出現(xiàn)波動(dòng)，在人工調(diào)節(jié)酸堿度的情況下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，在第50 d系統(tǒng)恢復(fù)正常，產(chǎn)氫量和氫氣含量逐漸增加并趨于穩(wěn)定，其平衡時(shí)的均值分別為1.46 L/d和46.2%，其值是以糖蜜為底物時(shí)的2.32倍。從結(jié)果分析中可知：在相同負(fù)荷運(yùn)行的條件下，有機(jī)底物赤糖的產(chǎn)氫量遠(yuǎn)高于糖蜜的產(chǎn)氫量，這說(shuō)明了厭氧發(fā)酵污泥菌種對(duì)底物具有明顯的選擇性，同時(shí)也反映出不同底物之間的結(jié)構(gòu)差異性和降解的難易程度，其表現(xiàn)在產(chǎn)氫量和氫氣含量的差異上。

圖2 底物變化對(duì)產(chǎn)氫量的影響Fig.2 The effect of the substrates on hydrogen production

2.2 底物變化對(duì)液相末端產(chǎn)物的影響

以厭氧污泥為接種原料，以糖蜜和赤糖為底物厭氧發(fā)酵，在底物濃度負(fù)荷相同的條件下，分析底物變化對(duì)降解有機(jī)物過(guò)程中總揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）和醇含量的影響，如圖3所示。

反應(yīng)器中污泥量為25.88g(MLVSS)/L，以糖蜜為底物啟動(dòng)反應(yīng)器，在厭氧發(fā)酵的初期，發(fā)酵代謝產(chǎn)物中丙酸的含量較高，其比例占總液相末端產(chǎn)物的45%左右，其中乙醇和乙酸的比例分別占到32%和18%，這說(shuō)明發(fā)酵初期丙酸菌在產(chǎn)酸發(fā)酵菌群中占優(yōu)勢(shì)。當(dāng)反應(yīng)運(yùn)行到第8 d，丙酸含量出現(xiàn)波動(dòng)并逐漸降低，其它末端產(chǎn)物也經(jīng)過(guò)短暫的波動(dòng)后開(kāi)始回升。經(jīng)過(guò)22 d的運(yùn)行發(fā)酵，系統(tǒng)逐漸達(dá)到穩(wěn)定，乙醇、乙酸、丙酸和丁酸的量分別是187.6 mg/L、256.3 mg/L、174.9 mg/L、118.1 mg/L，從液相末端產(chǎn)物的比例可以看出，反應(yīng)系統(tǒng)呈現(xiàn)出混合酸發(fā)酵。在運(yùn)行的第28 d，即在混合酸發(fā)酵的穩(wěn)定運(yùn)行期，改變發(fā)酵底物，以赤糖水代替糖蜜來(lái)研究底物變化對(duì)系統(tǒng)液相末端產(chǎn)物沖擊變化，其表現(xiàn)在發(fā)酵底物改變后前11 d內(nèi)末端發(fā)酵產(chǎn)物的比例發(fā)生了較大的變化，各種揮發(fā)酸的產(chǎn)量經(jīng)過(guò)短時(shí)間的下降后又再次上升到原來(lái)水平。當(dāng)運(yùn)行到第38 d時(shí)，末端產(chǎn)物的比例再次發(fā)生變化，其中乙醇和乙酸的比例呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，而丙酸和丁酸的比例卻不斷的下降。但反應(yīng)器中揮發(fā)酸總量并無(wú)明顯的減少，說(shuō)明系統(tǒng)內(nèi)的發(fā)酵菌群代謝還是比較旺盛，只是菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。經(jīng)過(guò)56 d的運(yùn)行后，系統(tǒng)再次達(dá)到平衡，其中乙醇、乙酸、丙酸、丁酸的量分別為259.8 mg/L、276.7 mg/L、87.1 mg/L、63.2 mg/L，其中乙醇和乙酸的含量占總產(chǎn)量的78%，呈現(xiàn)出乙醇型發(fā)酵，此時(shí)的微生物具有較高的氧化有機(jī)物的能力，并且系統(tǒng)具有良好的沉降性能。從底物變化后引起總液相末端產(chǎn)物的變化中可以看出，污泥接種到生物制氫反應(yīng)器之后的馴化過(guò)程中，都經(jīng)歷了一個(gè)從不適應(yīng)到適應(yīng)，從適應(yīng)到活性逐漸增強(qiáng)的演變過(guò)程。

2.3 底物變化對(duì)化學(xué)需氧量（COD）去除率的影響

用相同負(fù)荷的不同底物來(lái)研究發(fā)酵產(chǎn)氫效能，圖4是不同底物變化對(duì)化學(xué)需氧量（COD）去除率的影響情況。以糖蜜為發(fā)酵底物時(shí)，COD去除率的波動(dòng)較大，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定期后，COD的去除率維持在7%左右。當(dāng)?shù)孜锇l(fā)生變化時(shí)，COD的去除率出現(xiàn)暫時(shí)性的下降和短期的波動(dòng)，當(dāng)反應(yīng)運(yùn)行到48 d后，系統(tǒng)有機(jī)底物的去除率最大達(dá)到31.2%，隨后出現(xiàn)短暫的波動(dòng)并穩(wěn)定在13%左右。從圖4可以看出微生物對(duì)厭氧環(huán)境的變化具有一定的自我調(diào)節(jié)和平衡能力，從而使系統(tǒng)呈現(xiàn)出良好的運(yùn)行穩(wěn)定性。系統(tǒng)內(nèi)微生物的多樣性，保證了系統(tǒng)內(nèi)代謝途徑的多樣性，這有利于廢水中各種有機(jī)成分的有效降解。

圖3 底物變化對(duì)液相末端產(chǎn)物的影響Fig.3 The effect of the substrates on liquid end fermentation

圖4 底物變化對(duì)COD去除率的影響Fig.4 The effect of the substrates on COD removal

2.4 底物變化對(duì)pH和ORP的影響

pH和氧化還原電位（ORP）是影響厭氧微生物生長(zhǎng)繁殖的重要影響因子，決定著微生物的生存狀態(tài)。不同的厭氧微生物所需要的酸堿環(huán)境和氧化還原電位也是不同的，不同的底物厭氧發(fā)酵對(duì)酸堿環(huán)境和氧化還原電位的要求也是不同的。圖5反映了底物變化期間ORP的變化情況。以糖蜜為底物時(shí)，初期經(jīng)過(guò)2 d的發(fā)酵，系統(tǒng)的溶解氧逐漸被系統(tǒng)中的微生物所消耗，這時(shí)兼性微生物的活性下降，其表現(xiàn)為系統(tǒng)的ORP從-112 mV下降到-316 mV。啟動(dòng)初期ORP很不穩(wěn)定，呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)性，系統(tǒng)運(yùn)行到第10 d時(shí)，ORP從-446 mV上升到 -390 mV左右，這可能是在厭氧發(fā)酵的初期，系統(tǒng)需要消耗部分的溶解氧，因此導(dǎo)致反應(yīng)初期厭氧程度較低并且ORP的波動(dòng)性比較大。在后續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)逐步趨于穩(wěn)定，ORP穩(wěn)定在-390mV左右，直到系統(tǒng)達(dá)到混合酸發(fā)酵。第28 d系統(tǒng)底物發(fā)生變化，ORP從-365mV突然上升到-207mV，在后續(xù)經(jīng)過(guò)40 d的運(yùn)行發(fā)酵，ORP逐漸下降，并最終在-444～-450mV之間波動(dòng)，這一條件范圍可能是形成乙醇型發(fā)酵的主要原因，并且決定了生物制氫系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖5 底物變化對(duì)ORP的影響Fig.5 The effect of the substrates on ORP

圖6 底物變化對(duì)pH的影響Fig.6 The effect of the substrates on pH

圖6是底物改變對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部pH的影響變化情況。啟動(dòng)初期系統(tǒng)的pH在4.61～5.07范圍內(nèi)波動(dòng)，其變化幅度不是很大。在系統(tǒng)以糖蜜為底物趨于混合酸發(fā)酵時(shí)，pH開(kāi)始下降到3.86，液相末端產(chǎn)物和氫氣產(chǎn)量有較小幅度的下降，為了防止微生物群落長(zhǎng)時(shí)間的經(jīng)歷酸性厭氧環(huán)境而使活性難以恢復(fù)，試驗(yàn)中投加一定量的NaOH溶液來(lái)有效的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的酸堿度，提高反應(yīng)器的產(chǎn)氫效能和實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)后系統(tǒng)的pH恢復(fù)到4.07。第28 d系統(tǒng)的底物發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的pH再次下降到3.75，系統(tǒng)的氫氣產(chǎn)量和液相末端產(chǎn)物的量也相應(yīng)地在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，這可能是底物變化對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的菌群造成了一定的沖擊作用，改變了其發(fā)酵路徑。經(jīng)過(guò)后續(xù)6 d的人工調(diào)節(jié)加上系統(tǒng)自身的恢復(fù)作用，最終使系統(tǒng)的pH值維持在4.70左右。這是因?yàn)榇藭r(shí)系統(tǒng)已經(jīng)形成了乙醇型發(fā)酵。乙醇型發(fā)酵的產(chǎn)物乙醇不會(huì)加速系統(tǒng)的pH值繼續(xù)降低。

3 結(jié) 論

（1）反應(yīng)器的污泥量為25.88g(MLVSS)/L、進(jìn)水底物濃度為3000mgCOD/L、HRT為6.2h、溫度控制在(35±1)℃，以赤糖為底物時(shí)的產(chǎn)氫量是以糖蜜為底物時(shí)的2.32倍，說(shuō)明產(chǎn)酸發(fā)酵菌群對(duì)底物具有選擇性。

（2）在反應(yīng)器啟動(dòng)后的污泥馴化過(guò)程中，發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)微生物群落隨著底物的變化發(fā)生著連續(xù)的演變，優(yōu)勢(shì)菌群也不斷地發(fā)生變化，同一種屬的細(xì)菌利用不同的原料為底物時(shí)的產(chǎn)氫能力和產(chǎn)酸能力存在很大的差異，其表現(xiàn)在總液相末端產(chǎn)物的比例和氫氣產(chǎn)量的差異上。當(dāng)?shù)孜镉商敲坜D(zhuǎn)變?yōu)槌嗵菚r(shí)，系統(tǒng)中的末端產(chǎn)物乙醇、乙酸、丙酸和丁酸的量分 別 從 187.6 mg/L、256.3 mg/L、174.9 mg/L、118.1 mg/L 增加到 259.8 mg/L、276.7 mg/L、87.1 mg/L、63.2 mg/L。

（3）在以糖蜜為底物時(shí)COD的去除率維持在7%左右，當(dāng)?shù)孜锇l(fā)生變化時(shí)，COD的去經(jīng)過(guò)短暫的波動(dòng)后，最終穩(wěn)定在13%左右。

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