ACR在不同進(jìn)水COD濃度下的產(chǎn)氫性能與菌群結(jié)構(gòu)

昌盛，李建政，付青，趙興茹，鄭國臣

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ACR在不同進(jìn)水COD濃度下的產(chǎn)氫性能與菌群結(jié)構(gòu)

昌盛1,2，李建政2，付青1，趙興茹1，鄭國臣2

（1中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012；2哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150090）

以稀釋糖蜜為底物，通過厭氧接觸式發(fā)酵制氫反應(yīng)器(ACR) 的啟動(dòng)和運(yùn)行，考察了ACR在不同進(jìn)水COD濃度下的運(yùn)行特性。結(jié)果表明，當(dāng)HRT= 6 h，進(jìn)水COD濃度從 7000 mg·L-1提升至11000 mg·L-1時(shí)，反應(yīng)器仍能穩(wěn)定運(yùn)行，并維持乙醇型發(fā)酵類型。隨著底物濃度的增加，系統(tǒng)的比產(chǎn)氫速率從COD 7000 mg·L-1時(shí)的2.43 m3·(m3·d)-1提高到COD11000 mg·L-1時(shí)的3.51 m3·(m3·d)-1，而活性污泥的比產(chǎn)氫速率在COD 為9000 mg·L-1時(shí)最高，為10.71 mol H2·(kg VSS·d)-1。聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)-變性梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)分析結(jié)果表明，產(chǎn)氫發(fā)酵產(chǎn)乙醇菌群為ACR系統(tǒng)中的主要產(chǎn)氫功能菌群，且隨著進(jìn)水COD濃度的增加，以YUAN-3為代表的產(chǎn)氫菌群的優(yōu)勢度顯著增強(qiáng)，但丙酸發(fā)酵菌屬sp. F6也開始富集。

厭氧接觸式反應(yīng)器；發(fā)酵制氫；進(jìn)水COD濃度；菌群結(jié)構(gòu)

引 言

發(fā)酵法生物制氫技術(shù)，能以可再生的生物質(zhì)，甚至是富含有機(jī)物的廢水、垃圾或禽畜排泄物為原料[1-2]，在清潔能源生產(chǎn)、廢物資源化和環(huán)境保護(hù)等方面均有重要意義[3-4]。以混合菌群(活性污泥)為基礎(chǔ)的發(fā)酵法生物制氫技術(shù)，因其原料的可再生性和廣泛性，以及易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)等特性，受到越來越多的關(guān)注[5-6]。為了提高發(fā)酵制氫反應(yīng)系統(tǒng)的產(chǎn)氫效能，高效穩(wěn)定的發(fā)酵制氫設(shè)備的開發(fā)一直是一個(gè)重要的研究方向[7-9]。在發(fā)酵生物制氫技術(shù)領(lǐng)域，目前采用最多的設(shè)備是連續(xù)流攪拌槽式反應(yīng)系統(tǒng)(CSTR)，由于機(jī)械攪拌的采用，傳質(zhì)效率高，有效地提高了反應(yīng)設(shè)備產(chǎn)氫效率。但是，在高有機(jī)負(fù)荷條件下，容易造成污泥流失，從而使系統(tǒng)的產(chǎn)氫效能受到了很大限制[10]。為解決這一技術(shù)問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，開發(fā)出了一系列基于細(xì)胞固定化技術(shù)的制氫工藝，如固定床(fixed bed)、流化床(fluidized bed)、膨脹床（expanded granular sludge bed, EGSB）、上流式厭氧污泥床（up-flow anaerobic sludge blanket, UASB）等[7-9,11-12]。但是，作為固定化載體的基質(zhì)，會(huì)占據(jù)反應(yīng)器內(nèi)大量有效空間，反應(yīng)器的產(chǎn)氫效能也會(huì)因傳質(zhì)效率下降而受到限制。由CSTR發(fā)展而來的厭氧接觸反應(yīng)器(anaerobic contact reactor，ACR)，在保留了攪拌功能的同時(shí)，增設(shè)了污泥截留和回流裝置，通過水力停留時(shí)間和污泥停留時(shí)間的分離，使反應(yīng)系統(tǒng)可以保持較高的生物量，在廢水生物處理中得到了較為廣泛的應(yīng)用[13]。但利用ACR進(jìn)行有機(jī)廢水發(fā)酵制氫的研究，還鮮有報(bào)道。因此，探討ACR發(fā)酵制氫系統(tǒng)的運(yùn)行特性具有重要意義。

進(jìn)水COD濃度作為重要的工程控制參數(shù)之一，COD對微生物群落結(jié)構(gòu)與代謝活性影響顯著[14]，通過COD的合理調(diào)控，可提高高效產(chǎn)氫菌群在厭氧發(fā)酵制氫系統(tǒng)中的數(shù)量和活性。目前，關(guān)于COD對厭氧發(fā)酵制氫系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響中，其研究點(diǎn)主要集中在探討COD對反應(yīng)器的產(chǎn)氫速率的影響上，而關(guān)于乙醇型發(fā)酵制氫反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)氫菌群對COD變化的響應(yīng)的研究還較為少見[15-16]。而揭示 COD對產(chǎn)酸發(fā)酵產(chǎn)氫菌群影響的規(guī)律，對于分析厭氧發(fā)酵制氫系統(tǒng)中揮發(fā)酸的積累機(jī)制，提高反應(yīng)器的產(chǎn)氫效能均有重要意義。本文以前期成功啟動(dòng)并將ACR反應(yīng)器控制為乙醇型發(fā)酵的基礎(chǔ)上，考察了ACR反應(yīng)器在不同進(jìn)水COD濃度下的運(yùn)行特性，并對反應(yīng)器中的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析，探索了發(fā)酵產(chǎn)氫菌群的演替規(guī)律，為ACR發(fā)酵制氫反應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行控制提供技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

制氫系統(tǒng)采用專利技術(shù)設(shè)備[17]，即厭氧接觸式發(fā)酵制氫反應(yīng)器(ACR)，其由反應(yīng)單元和氣-液-固三相分離單元兩部分組成(圖1)，均采用有機(jī)玻璃制成。ACR的反應(yīng)單元呈圓筒形，有效容積為12 L。氣-液-固三相分離單元有效容積為14 L，下端為圓錐形污泥斗，收集的污泥由蠕動(dòng)泵回流至反應(yīng)單元。反應(yīng)單元和氣-液-固三相分離單元的頂蓋上部設(shè)有集氣管并與水封相連，發(fā)酵氣產(chǎn)量采用濕式氣體流量計(jì)計(jì)量。反應(yīng)器外表面纏有電熱絲，通過溫控裝置將反應(yīng)器內(nèi)部溫度控制在(35±1)℃。

1.2 試驗(yàn)廢水

試驗(yàn)廢水采用甜菜制糖廠的廢糖蜜加水稀釋而成。在配制廢水時(shí)，投加一定量的農(nóng)用復(fù)合肥，使廢水中的 C、N、P 的質(zhì)量比保持在(200～500):5:1左右，以保證污泥在生長過程中對 N、P 營養(yǎng)元素的需求，配水不進(jìn)行人為的pH調(diào)節(jié)。糖蜜、復(fù)合肥的組分以及具體的投加比例均與Ren等[12,15]的研究完全相同。

1.3 污泥接種與反應(yīng)器的運(yùn)行控制

接種污泥取自當(dāng)?shù)啬称【茝U水處理廠二沉池排放的剩余污泥。使用前，污泥于室溫下密封堆置近3個(gè)月。污泥經(jīng)反復(fù)淘洗、過濾后，置入ACR反應(yīng)器中，接種量為9.3 g MLVSS·L-1。反應(yīng)器在進(jìn)水COD 7000 mg·L-1，HRT為6 h下啟動(dòng)，經(jīng)過55 d的運(yùn)行并達(dá)穩(wěn)定后，通過分階段提高進(jìn)水COD濃度到9000、11000 mg·L-1，考察ACR反應(yīng)器在不同進(jìn)水COD濃度下的運(yùn)行特性。在每次提高進(jìn)水COD濃度前，系統(tǒng)均應(yīng)穩(wěn)定運(yùn)行7 d左右，以利于高效產(chǎn)氫發(fā)酵優(yōu)勢種群的形成與穩(wěn)定。為便于分析，將反應(yīng)器的運(yùn)行控制分為3個(gè)階段：第1階段，即反應(yīng)器在進(jìn)水COD濃度為7000 mg·L-1時(shí)的運(yùn)行階段(第55～65 d)；第2階段，進(jìn)水COD濃度為9000 mg·L-1時(shí)的運(yùn)行階段(第66～80 d)；第3階段，進(jìn)水COD濃度為11000 mg·L-1時(shí)的運(yùn)行階段(第81～93 d)。反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行是指反應(yīng)器的產(chǎn)氣速率、氫氣含量、出水COD、pH和堿度、揮發(fā)酸各組分的含量基本在10%上下波動(dòng)。

1.4 分析方法

1.4.1 物化指標(biāo)分析 pH、堿度（alkalinity）、COD和生物量（MLSS和MLVSS）等常規(guī)監(jiān)測項(xiàng)目采用標(biāo)準(zhǔn)方法測定[18]。包括乙酸、丙酸、丁酸在內(nèi)的揮發(fā)性有機(jī)酸（VFAs）以及乙醇的檢測采用氣相色譜儀（SP-6890，山東魯南瑞虹化工儀器有限公司）測定[13]，發(fā)酵氣組分采用另一臺(tái)氣相色譜儀（SP-6801T，山東魯南瑞虹化工儀器有限公司）分析[13]。

1.4.2 DNA提取、PCR及DGGE分析 采用DNA提取試劑盒提取厭氧活性污泥總DNA（MO Bio Laboratories, Inc., Carlsbad,CA, USA）；PCR反應(yīng)體系為:10×Ex Taq buffer 5 ml, dNTP 4ml（2.5 mmol·L-1），引物各0.5ml（20mmol·L-1），模板2ml，Ex Taq DNA聚合酶0.8ml，水37.2ml。PCR反應(yīng)條件為：94℃預(yù)變性5 min；94℃1 min，55℃45 s，72℃45 s；32個(gè)循環(huán)；72℃10 min。所用引物為真細(xì)菌通用引物：BSF338, 5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′和BSR534, 5′-ATTACCGCGGCTGCTGGC-3′。

取15ml上述PCR產(chǎn)物進(jìn)行梯度凝膠電泳分析(DGGE)。電泳條件：聚丙烯酰胺濃度40%～60%，電壓120 V，溫度60℃，時(shí)間10 h，然后進(jìn)行銀染。將DGGE圖譜中的主要條帶切下來，碾碎并置于30ml 1×TE，40℃恒溫水浴3 h。然后于12000 r·min-1離心3 min。取3ml上清液作為模板，利用通用引物M13F(5′-TGTAAAACGACGGCCAGT-3′)和M13R(5′-CAGGAAACAGCTATGACC-3′)進(jìn)行PCR擴(kuò)增，然后用膠回收試劑盒(賽百盛)純化PCR產(chǎn)物；將純化的PCR產(chǎn)物連接到pMD19-T 載體上并轉(zhuǎn)化到大腸桿菌 DH5a中。隨機(jī)挑選3個(gè)白色克隆進(jìn)行PCR檢測，將陽性克隆送至上海生工生物技術(shù)有限公司測序。測序結(jié)果與NCBI的BlastX進(jìn)行序列比對。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)器的產(chǎn)氫特性

2.1.1 產(chǎn)氫速率的變化 圖2表示反應(yīng)器在進(jìn)水COD濃度分別為7000、9000、11000 mg·L-1時(shí)反應(yīng)器產(chǎn)氫速率隨運(yùn)行時(shí)間的變化規(guī)律。反應(yīng)器在第1階段的穩(wěn)定運(yùn)行期，反應(yīng)器的產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氫速率的平均值分別為68.1 L·d-1和28.2 L·d-1，氫氣含量基本穩(wěn)定在42.2%。從第66 d開始，反應(yīng)器進(jìn)入到運(yùn)行的第2階段，反應(yīng)器的產(chǎn)氣速率迅速上升，并于第70 d達(dá)到峰值后趨于穩(wěn)定，在運(yùn)行穩(wěn)定階段(第71～78 d)，反應(yīng)器產(chǎn)氣速率約為100.5 L·d-1。然而，氫氣的含量略有下降，保持在37.1%左右的水平。當(dāng)反應(yīng)器進(jìn)入第79 d時(shí)，進(jìn)水COD提高到11000 mg·L-1，反應(yīng)器的產(chǎn)氣速率在第82 d達(dá)到117.8 L·d-1后，趨于穩(wěn)定，此階段的氫氣含量的變化規(guī)律與第1次提高COD濃度的情形類似，經(jīng)小幅波動(dòng)后，也再次趨于穩(wěn)定。如圖2所示，反應(yīng)器在第1階段結(jié)束后的第3 d，反應(yīng)器就達(dá)到了穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)(圖2)，在第71～78 d的穩(wěn)定運(yùn)行期，反應(yīng)器的產(chǎn)氣速率和H2含量平均值分別為97.8 L·d-1和39.2%。在反應(yīng)器運(yùn)行的第3階段，反應(yīng)器在提高COD濃度后的第8 d也即達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行，ACR發(fā)酵制氫反應(yīng)系統(tǒng)在第3階段(第86～93 d)的穩(wěn)定運(yùn)行期，反應(yīng)器的產(chǎn)氣速率和H2含量維持在107.1～125.5 L·d-1和34.5%～37.8%的水平。以上結(jié)果表明，ACR反應(yīng)器的自我調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，反應(yīng)器受到?jīng)_擊負(fù)荷后，在較短的時(shí)間內(nèi)即能達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，其氫氣含量的變化表明反應(yīng)器內(nèi)的活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)隨著進(jìn)水COD的濃度發(fā)生了改變，進(jìn)而變更了底物的代謝途徑，導(dǎo)致氣體組分也發(fā)生變動(dòng)。

2.1.2 液相末端發(fā)酵產(chǎn)物的變化 在反應(yīng)器的運(yùn)行期間，液相末端發(fā)酵產(chǎn)物的變化規(guī)律如圖3所示。與系統(tǒng)的產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氫速率變化規(guī)律相似，反應(yīng)器出水中的液相末端發(fā)酵產(chǎn)物也呈現(xiàn)出隨進(jìn)水COD濃度增加而逐漸增加的趨勢。在反應(yīng)器第1階段的穩(wěn)定運(yùn)行期，液相末端發(fā)酵產(chǎn)物的各組分含量均比較恒定，乙醇、乙酸、丙酸和丁酸含量的平均值分別為1158.6、1149.3、158.9、和348.4 mg·L-1，發(fā)酵產(chǎn)物乙醇和乙酸含量之和占總揮發(fā)酸量(2850.2 mg·L-1)的80.9%，呈乙醇型發(fā)酵類型。當(dāng)提高進(jìn)水COD濃度后，即反應(yīng)器進(jìn)入到第2階段的運(yùn)行，液相末端發(fā)酵產(chǎn)物各組分含量的變化規(guī)律呈現(xiàn)一定差異性。結(jié)果顯示，除丁酸濃度有所降低外，其他各組分均增加，其中乙醇和乙酸的含量增幅較大，在第2階段的穩(wěn)定運(yùn)行期，乙醇和乙酸濃度分別為2164.2和1220.1 mg·L-1。當(dāng)反應(yīng)器進(jìn)入到第3階段的運(yùn)行時(shí)，反應(yīng)器出水液相末端發(fā)酵產(chǎn)物所呈現(xiàn)的規(guī)律則與第一次提高COD時(shí)呈現(xiàn)的規(guī)律有所不同。其中，乙酸含量基本上維持不變，平均水平約為1336.9 mg·L-1，而乙醇和丁酸卻呈下降趨勢，乙醇下降至2480.7 mg·L-1趨于穩(wěn)定，丁酸下降至174.3 mg·L-1趨于穩(wěn)定。在第3階段的運(yùn)行穩(wěn)定期，乙醇和乙酸的含量之和占液相發(fā)酵產(chǎn)物總和（4198.1 mg·L-1）的90.9%。從圖3可以看出，反應(yīng)器在3個(gè)階段的運(yùn)行中，盡管反應(yīng)器均呈現(xiàn)出乙醇型發(fā)酵類型，但乙醇、乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻有顯著差異。在反應(yīng)器3個(gè)階段的穩(wěn)定運(yùn)行期，乙醇占揮發(fā)酸總量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為39.8%、40.9%、53.8%，乙酸占揮發(fā)酸總量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為35.3%、59.3%、31.6%。

2.1.3 pH和堿度的變化 反應(yīng)器出水pH和堿度隨運(yùn)行時(shí)間的變化情況如圖4所示。在反應(yīng)器運(yùn)行的第1階段，系統(tǒng)出水pH維持在5.0左右，而這一pH也正是乙醇型發(fā)酵類型的生態(tài)位[12]。在反應(yīng)器運(yùn)行的第2階段和第3階段，由于反應(yīng)器出水揮發(fā)酸總量增加，出水pH呈現(xiàn)逐漸下降趨勢。在反應(yīng)器第2階段和第3階段的穩(wěn)定期，出水pH的平均值分別為4.9和4.7(圖4)。Hwang等[19]的研究結(jié)果表明，乙醇型發(fā)酵的最佳pH為5.0±0.2，但當(dāng)pH低于4.5時(shí)，乙醇型發(fā)酵菌群活性很低，而Ren等[12,16,20]的研究發(fā)現(xiàn)，乙醇發(fā)酵的最佳pH為4.2～4.4。在本研究中，當(dāng)pH為4.7～5.1時(shí)，系統(tǒng)均能呈現(xiàn)乙醇型發(fā)酵，這表明pH對發(fā)酵制氫反應(yīng)器的影響還需要做進(jìn)一步研究。

與pH的變化相比，系統(tǒng)出水堿度的波動(dòng)較為明顯(圖4)。這主要是因反應(yīng)器進(jìn)水COD濃度的提高，揮發(fā)酸組分的變化引發(fā)了反應(yīng)器堿度平衡體系的改變。在反應(yīng)器運(yùn)行的第1階段，系統(tǒng)出水堿度維持在850～900 mg CaCO3·L-1。當(dāng)提高進(jìn)水COD濃度后，出水堿度都出現(xiàn)了一個(gè)先上升后下降再趨于穩(wěn)定的過程，這表明反應(yīng)器啟動(dòng)成功后，系統(tǒng)內(nèi)形成的緩沖體系具有較好的調(diào)節(jié)能力，并未因進(jìn)水COD濃度的增加和揮發(fā)酸濃度的提高，而引起反應(yīng)器的“酸化”。在反應(yīng)器第2階段和第3階段的穩(wěn)定期，反應(yīng)器出水堿度的平均值分別為960、870 mg CaCO3·L-1。

2.1.4 生物量的變化 進(jìn)水COD濃度不僅對反應(yīng)器內(nèi)環(huán)境條件和微生物群落代謝特性有明顯影響，同時(shí)對反應(yīng)器中的生物量和活性也有顯著影響。從圖5可以看出，隨著進(jìn)水COD濃度的提高，即伴隨營養(yǎng)底物的增加，反應(yīng)器中的發(fā)酵菌群大量繁殖，其生物量由第1階段的10.9 g·L-1增加到第2階段的13.6 g·L-1；當(dāng)反應(yīng)器進(jìn)入第3階段的運(yùn)行，生物量的變化規(guī)律與第1次提高COD的情形類似，生物量呈增加趨勢，最后在穩(wěn)定器保持在16.4 g·L-1。

2.2 微生物群落結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律

在進(jìn)水COD為9000 mg·L-1和11000 mg·L-1時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行期，即在第60 d和第90 d，從反應(yīng)器內(nèi)取污泥樣品，采用PCR-DGGE技術(shù)分析了反應(yīng)器內(nèi)污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)。DGGE譜圖如圖6所示，DGGE譜圖中1～14號條帶的測序結(jié)果見表1，通過系統(tǒng)進(jìn)化分析優(yōu)勢種群，主要分屬于3個(gè)門，分別是Actinobacteria、Bacteroidetes和Firmicute。Firmicute門占據(jù)絕對優(yōu)勢，占微生物種類比例的61.5%。

表1 DGGE條帶16S rDNA測序分析結(jié)果Table 1 Affiliation of denaturing gradient gel electrophoresis(DGGE)fragments by their 16S rDNA sequence

從圖6可見，在反應(yīng)器運(yùn)行的第90 d，條帶4、5、6消失，條帶7信號減弱，而根據(jù)基因序列比對結(jié)果，條帶4與(M59113.1)相似性為100%，為典型的丁酸型發(fā)酵菌屬，發(fā)酵產(chǎn)物以丁酸為主，所以提高進(jìn)水COD濃度后(90 d)，反應(yīng)器出水中的丁酸含量下降(圖3)。然而，與第60 d的圖譜相比，條帶8、14為反應(yīng)器在第3階段的特異條帶，其與YUAN-3(CP002400.1)高度相似，根據(jù)Ren等[16]的研究，YUAN-3是典型的產(chǎn)氫-產(chǎn)乙醇菌種，其代謝產(chǎn)物以乙醇和乙酸為主，這表明，進(jìn)水COD濃度的增加，促進(jìn)了YUAN-3的大量繁殖，其在微生物群落中的優(yōu)勢度得到增強(qiáng)，反應(yīng)器出水中乙醇和乙酸的含量明顯增加(圖3)。條帶10在反應(yīng)器第60 d和第90 d的運(yùn)行中均存在，測序結(jié)果說明其與YUAN-3相關(guān)度為99%，并且其信號強(qiáng)度明顯要大于條帶4，這說明在反應(yīng)器運(yùn)行的第1階段和第3階段，乙醇發(fā)酵產(chǎn)氫菌群均為反應(yīng)器中的優(yōu)勢菌群，這也是反應(yīng)器呈現(xiàn)乙醇型發(fā)酵類型的根本原因。另外，從圖6可以看出，隨著進(jìn)水COD濃度的增加，微生物種類增加，在反應(yīng)器運(yùn)行的90 d，strain DSM15597T(條帶11)和sp. F6 (條帶12)在系統(tǒng)內(nèi)開始富集，這2種菌均屬于丙酸發(fā)酵菌，發(fā)酵產(chǎn)物以丙酸為主，而丙酸的產(chǎn)生能減弱基質(zhì)的氫氣轉(zhuǎn)化率[15]。綜上所述，反應(yīng)系統(tǒng)啟動(dòng)成功后，YUAN-3為反應(yīng)器內(nèi)的優(yōu)勢菌群，并隨著進(jìn)水COD濃度的提高，反應(yīng)器內(nèi)的微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了演替，系統(tǒng)中的YUAN-3優(yōu)勢度得到增強(qiáng)。以上結(jié)果表明，隨著進(jìn)水COD濃度的提高，反應(yīng)器內(nèi)的微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了演替，且在第1階段和第3階段的穩(wěn)定運(yùn)行期，反應(yīng)器內(nèi)形成了不同的頂極群落，而導(dǎo)致了反應(yīng)器在不同進(jìn)水COD濃度下的產(chǎn)氫性能不同。

2.3 ACR反應(yīng)器的產(chǎn)氫性能

表2列出了反應(yīng)器在各穩(wěn)定期的比產(chǎn)氫速率、氫氣轉(zhuǎn)化率和底物降解率。當(dāng)COD從7000 mg·L-1增加到9000 mg·L-1時(shí)，底物降解率由85%降到80%，進(jìn)水COD進(jìn)一步增加到11000 mg·L-1時(shí)，底物降解率約為72%，但反應(yīng)器的產(chǎn)氫速率和氫氣轉(zhuǎn)化率始終呈遞增的趨勢，這與Guo等[12]的研究結(jié)果相同。如表2所示，隨著進(jìn)水COD濃度的提高，系統(tǒng)的比產(chǎn)氫速率不斷提高，當(dāng)進(jìn)水COD為11000 mg·L-1時(shí)，反應(yīng)器的比產(chǎn)氫速率 (HPR) 最大，達(dá)到了（3.51±0.45）m3·(m3·d)-1。然而，活性污泥的比產(chǎn)氫速率并未隨COD的逐級提高而遞升，卻在COD為9000 mg·L-1時(shí)達(dá)到最高值，為（10.71±0.45）mol H2·(kg VSS·d)-1。分析認(rèn)為，存在著以下兩點(diǎn)原因：一是系統(tǒng)在COD進(jìn)水為11000 mg·L-1時(shí)，底物濃度過高引發(fā)了產(chǎn)物的反饋抑制作用[如底物降解率和氫氣含量明顯下降(表2和圖2)]，此時(shí)微生物產(chǎn)氫代謝活性下降，所以，活性污泥的比產(chǎn)氫速率并未在COD為11000 mg·L-1時(shí)獲得最大值；二是因?yàn)殡S著COD的提高，系統(tǒng)內(nèi)的微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，當(dāng)進(jìn)水COD為11000 mg·L-1時(shí)，丙酸發(fā)酵菌群開始富集(圖6)，代謝產(chǎn)物中丙酸組分含量開始增加，而丙酸的代謝途徑不伴隨著氫氣的產(chǎn)生相反還會(huì)消耗氫氣，因此，系統(tǒng)在第3階段的運(yùn)行中，活性污泥的比產(chǎn)氫速率較第2階段要小。

表2 反應(yīng)器在各階段穩(wěn)定運(yùn)行期的產(chǎn)氫特性Table 2 Characteristic of hydrogen production in ACR during different steady-states

① Specific hydrogen production of reactor；②Specific hydrogen production rate of biomass.

3 結(jié) 論

（1）在HRT= 6 h，進(jìn)水COD濃度逐級提高的過程中，ACR發(fā)酵制氫反應(yīng)器的自我調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，能在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行。ACR發(fā)酵制氫反應(yīng)器的比產(chǎn)氫速率從進(jìn)水COD為7000 mg·L-1時(shí)的2.43 m3·(m3·d)-1提高到COD為11000 mg·L-1時(shí)的3.51 m3·(m3·d)-1，而活性污泥的比產(chǎn)氫速率在COD為9000 mg·L-1時(shí)最高，達(dá)到10.71 mol H2·(kg VSS·d)-1。

（2）進(jìn)水COD濃度的提高使ACR發(fā)酵制氫反應(yīng)器內(nèi)的微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的演替。隨著進(jìn)水COD濃度的增加，系統(tǒng)中以YUAN-3為主的發(fā)酵產(chǎn)氫菌群優(yōu)勢度得到增強(qiáng)，而丙酸型發(fā)酵菌spF6開始富集。

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Performance of fermentative hydrogen production and microbial community in ACR at different influent COD concentrations

CHANG Sheng1, 2，LI Jianzheng1,2，F(xiàn)U Qing1，ZHAO Xingru1，ZHENG Guochen2

(State Environmental Protection Key Laboratory of Drinking Water Source ProtectionChinese Research Academy of Environmental SciencesBeijingChinaSchool of Municipal and Environmental EngineeringHarbin Institute of TechnologyHarbinHeilongjiangChina

The operation performance of fermentative hydrogen production in anaerobic contact reactor (ACR) at different influent COD concentrations was investigated. The ACR could be kept at steady-state with ethanol-type fermentation, as influent chemical oxygen demand (COD) increased from 7000 mg·L-1to 11000 mg·L-1with constant HRT of 6 h. Specific hydrogen production of the ACR system increased from 2.43 m3·(m3·d)-1to 3.51 m3·(m3·d)-1as influent COD increased from 7000 mg·L-1to 11000 mg·L-1, while specific hydrogen production of activated sludge peaked at 10.71 mol H2·(kg VSS·d)-1at influent COD of 9000 mg·L-1. The results of polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis (PCR-DGGE) profiles showed that hydrogen-producing ethanol fermentative bacteria were dominant in the ACR. As influent COD concentration increased,YUAN-3 became more abundant, and propionate fermentative bacteria,.spF6 also started to be enriched.

anaerobic contact reactor；fermentative hydrogen production; influent COD concentration; microbial community

2014-09-03.

CHANG Sheng, changsheng83@163.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20141345

TK 6

A

0438—1157（2015）03—1156—07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51178316)；國家水體污染控制與治理重大專項(xiàng) (2014ZX07405-001)；國家環(huán)保公益項(xiàng)目(201409029)。

2014-09-03收到初稿，2014-11-03收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者：昌盛(1983—)，男，博士，助理研究員。

supported by the National Natural Science Foundation of China(51178136), the National Major Projects of Water Pollution Control and Treatment (2014ZX07405-001) and the National Environmental Charity Project (201409029).