（无机化学专业论文）污泥的驯化和预处理对苹果渣厌氧发酵产氢的影响.pdf

中文摘要 为了解决人类社会的能源短缺和环境污染两大难题，人类开始研究一些新的能源来 取代化石能源，比如：核能、太阳能、地热能、风能、生物能和氢能。因为氢能来源丰 富、燃烧性能好、无毒、利用形式多等众多优点，使得它倍受人们的关注。很多方法被 用来制取氢气，在众多制氢工艺中，发酵产氢是设备最简单、操作最方便、废物利用最 合理和成本最低廉的方法，故被广大研究者认为是最好的制氢方法。 本文以陕西西安果汁厂苹果渣为发酵底物，西安西郊污水处理厂浓缩池污泥为菌源， 考察污泥中复杂基质的产氢能力。采用一系列的预处理方法处理污泥，然后用预处理后 污泥与底物苹果渣进行厌氧发酵产氢实验，通过累积产氢量的变化和平均产氢速率来评 估底物产氢性能。研究了有机酸的加入对产氢的影响，初步讨论了产氢发酵机理。 污泥驯化时间( o 、6 、9 、1 2 和1 8h ) 和污泥的预处理( 煮沸时间、酸碱处理) 对 以苹果渣为底物的厌氧发酵的影响。结果显示，污泥的驯化过程可以缩短反应的迟滞时 间，污泥的煮沸过程比酸碱处理过程要好。最佳的驯化时间和最佳的煮沸时间分别为6h 和3 0m i l l 。累积产氢量达到9 4 6 8m l g - l _ t s ，平均产氢速率为9 0 2m l g q - t sh 1 ，氢气 占总气体( h 2 + ( 2 0 2 ) 的摩尔百分比为5 0 5 1 ，发酵温度为3 7o c ，初始p h 为7 0 ，底 物浓度为2 0g l 。 使用以苹果渣作为基底，采用一系列分批实验探讨有机酸和活性污泥预处理( 紫外 和超声) 对氢气产量的影响。实验结果显示活性污泥在紫外灯下照射1 5m i n ，得到最大 累积产氢量为1 0 6 9 3m l g q - t s ，平均产氢速度为1 4 9 7m l g - 1 t s h - 1 。同时超声处理3 0 m i n 的最大累积产氢量和平均产氢速度分别为1 0 4 4 3m l g - 1 t s ，和1 8 4 2m l - l g t s h 1 。 此外在苹果渣转换成氢气的过程中，在混合生物气体中没有探测到甲烷气体的产生。在 最佳污泥处理方法的基础上，基于微量有机酸的加入对发酵制氢的影响也进行了一系列 的笔一铡氢9 一矾姆i 。f ：垆7 - - ，。、 关键词：生物制氢j 4 苹果果渣，活性污泥，污泥预处理，一声，有机酸 、 一 a b s t r a c t e n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na r et w om a i np r o b l e m sf o ro u rh u m a n s f 一：；，。 c u r r e n t l y m a n ya t t e n t i o n sh a sb e e np a i do nt h ei n v e s t i g a t i o no f n e we n e r g yr e s o u r c e ss u c ha s ， n u c l e a re n e r g y , s o l a re n e r g y , g e o t h e r m a le n e r g y , w i n de n e r g y , h y d r o g e ne n e r g ye t c h y d r o g e n i sm u c hm o r eo u t s t a n d i n go w et ot h ea d v a n t a g e so fw i d e l ya v a i l a b l e ，c l e a n ，h i 曲c o m b u s t i o n h e a t m a n ym e t h o d sh a v e b e e na p p l i e dt op r o d u c eh y d r o g e n , i n c l u d i n gt h e r m o c a t a l y t i c r e f o r m i n go fh 2 一r i c ho r g a n i cc o m p o u n d ，e l e c t r o l y s i so fw a t e ra n db i o l o g i c a lp r o c e s s e s a m o n gt h e s em e t h o d s ，f e r m e n t a t i v eh y d r o g e np r o d u c t i o ni sm o r ea t t r a c t i v eb e c a u s ei ti sl o w c o s ta n daf e a s i b l ew a yf o rw a s t er e c o v e r yw h i l et h ei n s t r u m e n ti ss i m p l ea n dt h eo p e r a t i o ni s c o n v e n i e n t i nt h i sw o r k , a p p l er e s i d u ew a sc h o o s e na st h ef e r m e n t a t i v es u b s t a t ew h i c hw a sc o l l e c t e d f r o mx i a nj u i c ef a c t o r y t h ea c t i v a t e ds l u d g ef r o mx i a l ls e w a g ep l a n tw a su s e d2 l si n o c u l u m s o u r c e i no r d e rt oe n h a n c et h eb i o h y d r o g e np r o c e s s ，t h es l u d g ew a sp r e t r e a t e db yv a r i o u s a p p r o a c h e s ( d o m e s t i c a t i o n ，b o i l i n g ，u l t r a v i o l e t ，u l t r a s o n i ce t c ) b e f o r em i x e d 谢mt h ea p p l e r e s i d u ei nf e r m e n a t i v ee x p e r i m e n t s t h er e s u l t sw e r ee v a l u s t e db yt h ec u m u l a t i v eh y d r o g e n y i e l d ( c h y ) a n da v e r a g eh y d r o g e np r o d u c i o nr a t e ( a h p r ) i na d d i t i o n ，t h ef e r m e n t a t i v e m e c h a n i s mw a sa l s oe x p l o r e db yt h ea d d i t i o no fo r g a n i ca c i d si n t ot h ef e r m e n t a t i v es y s t e m as e r i e so fb a t c he x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt os t u d yt h ee f f e c t so fv a r i o u ss l u d g e p r e t r e a t m e n t s ( d o m e s t i c a t i o n ，b o i l i n g ，a c i da n da l k a l i ) o nt h ef e r m e n t a t i v eh 2p r o d u c t i o nf r o m a p p l er e s i d u e t h es l u d g ed o m e s t i c a t i o np r o c e s sm a r k e d l ys h o r t e n st h eh 2 - p r o d u c i n gl a gt i m e ， a n dh 2g a sw a sp r o d u c e do n l y5m i na f t e rm i x i n gt h es l u d g ea n ds u b s t r a t e t h er e s u l t ss h o w t h a tt h eb o i l i n gp r e t r e a t m e n to ft h es l u d g ei sb e t t e rt h a nt h ea c i da n da l k a l ip r e t r e a t m e n t si n e n h a n c i n gh y d r o g e ny i e l df r o ma p p l er e s i d u e t h eb e s td o m e s t i c a t i o na n db o i l i n gt i m ef o rt h e s l u d g ew e r e6ha n d3 0 池r e s p e c t i v e l ya n dg a v et h em a x i m u mc u m u l a t i v eh 2y i e l do f 9 4 6 8m l g - 1 t sw i t ha na v e r a g eh 2p r o d u c t i o nr a t eo f9 0 2m l g q - t s h 1a tt h ef e r m e n t a t i o n t e m p e r a t u r e ( 3 7o c ) ，i n i t i a lp h ( 7 0 ) a n ds u b s t r a t ec o n c e n t r a t e ( 2 0g g l ) u s i n ga p p l ep o m a c e ( a p ) a ss u b s t r a t e ，t h e e f f e c t so fu l t r a v i o l e ta n du l t r a s o n i c p r e t r e a t m e n t so fa c t i v a t e ds l u d g eo na n a e r o b i cf e r m e n t a t i v eb i o - h 2p r o d u c t i o nw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tam a x i m u mc u m u l a t i v eh 2p r o d u c t i o n ( c h p m ) o f10 6 9 3m lg - 1 t sa n d n a l la v e r a g eh 2p r o d u c t i o nr a t e ( a h p r ) o f14 9 7m lg - 1 t sh dw e r eo b t a i n e dw i t ht h ea c t i v a t e d s l u d g ew a si r r a d i a t e db yu l t r a v i o l e tl a m p ( 2 5w ) f o r15m i n i nc o n t r a s t ，t h eo p t i m a lt i m ef o r u l t r a s o n i c p r e t r e a t m e n t i s3 0m i nw i t h c h p m ( 1 0 4 4 3m l g l - t s ) a n da h p r ( 18 4 2 m l - ig t s h d ) f u r t h e r m o r e ，n om e t h a n ew a sd e t e c t e dd u r i n gt h ef e r m e n t a t i v eh y d r o g e n p r o d u c t i o np r o c e s s b a s e do nt h eo p t i m a ls l u d g e p r e t r e a t m e n tm e t h o d ，t h ee f f e c to f m i c r o - a d d i t i o no fv a r i o u so r g a n i ca c i d so nt h eh y d r o g e n - p r o d u c i n gf e r m e n t a t i o nw a sa l s o s y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e d k e y w o r d s ：b i o l o g i c a lh y d r o g e np r o d u c t i o n ；a p p l er e s i e d u e ；a c t i v a t e ds l u d g e ；s l u d g e p r e t r e 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论 文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩e p 或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签专一指导教师签名：皇磐 y 睥多月乃 少尸年钿厂) 日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论 文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 学位论文作者签 o 1日 西北大学硕七学位论文 第一章引言 1 1 选题背景 人类社会的发展正面临两大难题：能源紧缺和环境污染。经济的发展、社会的进步 以能源为主要动力。现有的用能方式已对环境造成了巨大的破坏，因此制约着人类社会 的发展。目前全世界每年的能耗量约可折合1 5 0 亿吨标准煤( 1 公斤标准煤的热值为7 0 0 0 千卡) 【1 1 。而世界煤炭储量约为1 0 万亿吨左右，约可供人类使用4 0 0 多年，石油储量 约为1 0 0 0 亿吨，约可供人类使用3 0 多年。为了开发新能源，许多国家因地制宜的发展 核能、太阳能、地热能、风能、生物能、和氢能等【2 1 。氢能和电能都是二次能源，它是 通过一次能源中提取出来，专家们预测，氢能在2 1 世纪将获得迅速发展，2 1 世纪将成 为氢能时代【3 ，4 1 。氢气做为一种二次能源，具有以下特剧5 ，6 】： ( 1 ) 氢元素是宇宙中取之不尽用之不竭的最丰富的元素，宇宙中3 4 的质量由氢元素 构成。 ( 2 ) 氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧 速度快1 7 ，8 j 。 ( 3 ) 氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会 产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物 质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反 复循环使用。 表1 - 1 几种物质的燃烧值比较 t a b l e1 - 1c o m p a r i s o no fc o m b u s t i o nv a l u eo fs e v e r a ls u b s t a n c e s 第一章引言 ( 4 ) 氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又 可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。用氢代替煤和石油， 不需对现有的技术装备作重大的改造，现在的内燃机稍加改装即可使用。 ( 5 ) 氢可以以气态、液态或固态金属氢化物等形式出现，能适应贮运及各种应用环 境的不同要求【9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 】。 1 2 生物制氢技术的研究方法、产氢途径和发展现状 1 2 1 制氢的几种常见方法 目前用于工业化生产的制氢技术主要有：化石原料制氢、电解水制氢、太阳能制备 制氢和生物制氢方法【1 3 】。 化石能源制氢是主要以天然气( 包括h 2 s ) 、石油或其馏分、煤以及由它们所生产 的甲醇和氨气等4 ，1 5 1 作为原料的制氢技术。目前这种方法制氢的产量占氢气总产量的 9 5 。电解水制氢是个很古老的制氢方法，国内外电解水制氢技术已经比较成熟，设备 已经系列化和成套化，但相比较而言其成本较高，现在电解水制氢仅占总量的 1 4 1 4 , 9 , 1 6 , 1 7 , 1 8 】。太阳能制备氢气有直接法和间接法两种技术，直接法包括太阳能光解 水制氢和太阳能热分解水制氢，后者较为成熟。间接法实质上可以归为电解水制氢，它 主要是通过太阳能转化为电能，再由电能转化为氢能，构成了这个系统体系制备氢气 【9 ，1 4 ，1 9 1 o 生物质制氢是利用微生物在常温常压下进行酶催化反应制得氢气，除了葡萄糖和淀 粉外，还可利用富含纤维素和半纤维素的生物秸秆如麦秆、果渣等作为微生物发酵的底 料来制氢。生物质发酵制氢既实现了废弃物资源化，又成本低廉，所以是一种发展前景 广阔的环境友好型制氢新方法【9 】。 1 2 2 生物制氢的产氢途径 生物制氢根据所选的微生物的不同可分为光合细菌产氢、蓝细菌和绿藻制氢、厌氧 发酵产氢3 种类型【2 0 ，2 1 1 。其中，光合细菌产氢是光合细菌利用光照与厌氧并存的条件 下分解有机物制备氢气，通常也叫做光发酵产氢。大多数的研究光合细菌产氢的研究者 认为光合细菌产氢的机理是被光子捕获到光合作用单位后，把能量送到了光合反应区 域，电荷被其分离，产生了高能量电子，而且形成了质子梯度，最后合成了a t p 。产生 的高能量电子从f d 通过f d n a d p + 还原酶传至n a d p + 形成了n a d p h 。最后a t p 和 n a d p h 被固氮酶利用进行旷还原，生成了h 2 1 2 2 之4 1 。其优点是在光合细菌还原过程中 2 西北大学硕士学位论文 是以硫化物或者是有机物作为电子供体，且在整个产氢过程当中不产生0 2 ，缺点是光 合细菌产氢需要充足的光照和严格的厌氧条件。见图1 1 【2 5 】。 蓝细菌和绿藻产氢即在光照和厌氧条件下分解水而得到氢气，也叫做光解水制氢。 具有光合系统第一阶段( p si ) 和第二阶段( p si i ) 含光合色素，全部由氢酶调节h 2 代谢。放氢反应可由两条途径进行，如图1 - 2 2 6 】。 厌氧发酵制氢是利用产氢菌厌氧发酵制取氢气，其产氢途径有如下几类2 7 。o 】： 1 混合酸型发酵( m i x e d a c i d f e r m e n t a t i o n ) 产氢途径：典型微生物为埃希氏菌属和志贺氏菌 属，其末端产物为乙酸、乙醇、二氧化碳、氢气和甲酸。 反应方程式：c 6 h 1 2 0 6 + h 2 0 _ c h 3 c o o h + c 2 h 5 0 h + 2 h 2 + 2 c 0 2 2 丁酸型发酵( b u t y r i c a c i d f e r m e n t a t i o n ) 产氢途径：典型微生物为梭状芽孢杆菌属和丁酸弧 菌属，其末端产物为丁酸、乙酸、二氧化碳和氢气。 反应方程式：c 6 h t 2 0 6 + 2 h 2 0 2 c h 3 c o o h + 2 c 0 2 + 4 h 2 和：c 6 h 1 2 0 6 + h 2 0 _ c h 3 c h 2 c h 2 c o o h + 2 h 2 + 2 c 0 2 3 n a d h ( - - 核苷酸腺嘌呤尼克酰胺) 产氢途径：丁酸型发酵和混合酸发酵是两种直接产 氢途径，而n a d h n a d + 则是一种平衡调节途径，葡萄糖在厌氧条件下发酵生成丙酮酸 ( e m p 过程) ，同时产生大量的n a d h 和h + ，当微生物体内的n a d h 和h + 积累过多时， n a d h 会通过氢化酶的作用将电子转移给h + ，从而释放出分子氢。而丁酸型发酵和混合 酸发酵途径均发生于丙酮酸脱羧作用中，它们是微生物为解决这一过程中所产生的“多 余”电子而采取的一种调控机制。在微生物的新陈代谢过程中，经e m p 途径产生的n a d h 和一一般均可通过与丙酸、丁酸、乙醇或乳酸等发酵相耦联而得以再生，从而 ( c h 2 0 ) 广f d 一固氮酶一h 2 a t p ta t p t 图i - 1 光合细菌产氢机理 f i g1 - 1h y d r o g e np r o d u c t i o nm e c h a n i s mo fp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a 电子供体一p si f d 氢一酶 另一条是：h 2 0 _ p si i _ p si 呻f d 一氢酶_ h 2 土 0 2 图1 - 2 蓝细菌和绿藻产氢机理 f i g1 - 2h y d r o g e np r o d u c t i o nm e c h a n i s mo fc y a n o b a c t e r i aa n dc h i o r o p h y t a 第一章引言 保证n a d h n a d + 平衡。但当n a d h 和h + 的再生相对其形成较慢时，必然要产生n a d h 与h + 的积累。对此，生物有机体必须采取其他调控机制，如在氢化酶的作用下，通过 释放分子氢以使n a d h 与一再生，反应方程式如下： n a d h + 矿一h 2 + n a d + 与光合制氢相比，发酵制氢过程除了具有底物产氢比率高、产氢速度快、不受光照时间 限制、可持续稳定产氢、工艺简单、兼性厌氧发酵产氢菌，更易于保存和运输等特点， 还具有制氢设备反应容积大，可以从规模上提高单台设备的产氢量等优点；此外，工农 业有机废料如麦秆、玉米秆和废水等都可能成为发酵法生物制氢的原料，来源广泛且成 本低廉，更容易在短期内实现产业化应用【2 7 3 1 1 。 因此，在生物制氢方法中，厌氧发酵制氢法更具有发展潜力，在国内外可再生能源 领域中己成为广泛关注的研究课题。表1 2 是各种厌氧发酵类型的优缺点的对比 3 2 , 3 3 1 。 1 2 3 生物制氢的发展现状 利用光合细菌产氢的研究早在上个世纪4 0 年代就开始了，例如g e s t 和k a m e n 发 现了深红红螺菌利用有机酸为底物光照产氢；l a m b e r tgr 小组和h o w a r t hcv 小组分 别在7 0 年代末和8 0 年代初对蓝细菌产氢有了突破性的进展，l a m b e r tgr 对蓝细菌的 产氢作用进行研究，而h o w a r t hcv 对9 种非固氮的蓝细菌产氢研究，它们的产氢活性 表1 - 2 各种厌氧发酵类型的优缺点对比 t a b l e1 - 2a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f v a r i o u st y p e so fa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o nc o m p a r e d 4 西北大学硕士学位论文 都很高 3 4 , 3 5 】。另外在19 91 年l a m s a s i k a l a 等进行红杆菌的产氢研究【3 6 1 ，19 9 6 年pmr e d d y 和hs p i l l e r 等利用鱼腥藻的一个变种纯化培养后【3 。7 1 ，两者的产氢速率都有了很大的提 高，最高达到了5 9m m o lh 2 g s s 。但后者3 0 的h 2 是来自水的分解，没有完全利用上 有机废弃物。近年来，广泛研究光合细菌产氢也证明了许多的光合细胞中都存在着产氢 系统，这种菌是直接利用光照将作为氢载体的水分解为氧气和我们的需要的产物一氢 气。从环境的角度讲，在整个反应的过程当中只需要水和阳光，且释放氧气，此反应有 极大的发展前景。缺点是该菌种的产氢速率非常低【3 8 1 。如何将氢氧分离也是个尚未解决 的问题，有待于进一步研究。 发酵产氢的细菌分为专型厌氧菌和兼型厌氧菌，如破伤风梭菌属( c l o s t r i d i u m p a s t e u r i a n u m ) 、产气韦荣氏球菌( v e i l l o n e l l ag a z o g e n e s ) 、脱硫弧菌属( d e s u l f o r i b r i o d e s u l f u r i c a n s ) 、多粘芽孢杆菌属( b a c i l l u sp o l y m y x a ) 、丁酸梭菌属( c l a s t r i d i u mb u t y i c u m ) 、 埃尔氏消化链球菌属( p e p t o s t r e p t o c o c c u se l s d e n i i ) 、雷氏丁酸杆菌属( b u t y r i b a c t e r i u m r e t t g e f i ) 、大肠杆菌属( e s c h e r i c h i a ) 、软化芽孢杆菌属( b a c i l l u sm a c e r a n s ) 、巴氏梭菌属 ( c l o s t r i d i u mp a s t e u r i a n u m ) 、生气微球菌属( m a e r o g e n e s ) 、克氏梭菌属( c 1 u y v e r i ) 、奥氏 甲烷杆菌属( m e t h a n o b a c t e r i u mo m e t i a n s k i i ) 、嗜水气单胞菌属( a e r o m o n a sh y d r o p h i l a ) 等 等。常见的用于产氢的底物是碳水化合物的糖类，主要有葡萄糖、果糖、蔗糖、纤维素 二糖、蜜糖、果糖、半乳糖和乳糖等，还有固体废弃物和有机废水。目前大部分都是研 究以单糖为产氢基质( 如葡萄糖和蔗糖) 从而研究不同产氢菌的性质、最佳发酵产氢条 件和产氢机理的探讨。目前国外在利用纯菌种进行厌氧发酵的研究，它们主要是以纯菌 种研究和细胞固定化技术为主要的研究对象。b r o s s e a ujd 和z a j i cje 【3 9 】在1 9 8 2 年报 道利用纯菌c l o s t r i d i u mp a s t e u r i a n u m 在静止的批式1 4 l 反应器中以葡萄糖为底物基质厌 氧发酵产氢，其氢气产量为1 5m 0 1 h 2 m 0 1 g l u c o s e 。1 9 9 2 年日本的t a g u c h if 等【4 0 ，4 1 1 报 道了具有很高产氢能力的梭状芽孢菌c l a s t r i d i u mh e i j e r i n c k ia m 2 1 b ，以葡萄糖为底物， 产氢量高达1 8 2 0 m 0 1 h 2 m 0 1 g l u c o s e 。后来他1 4 2 】以在白蚁的体内分离的c l a s t r i d i u m s p n o 2 进行厌氧发酵，其氢气产量分别为1 4 5 5 ( 阿拉伯糖为底物) 和1 3 7 3 ( 木糖为 底物) m m 0 1 h 2 gs u b s t r a t e ，以木糖为底物接种6 h ，最大产氢速率为2 8 6 m m o l h 。 b l a c k w o o dac t 4 3 】等报道了发酵产氢产量低的原因是产物中甲酸不是唯一产物，还有乙 醇、乙酸、二氧化碳和琥珀酸。1 9 9 7 年y o k o ih 和o h k a w a r et 等】用产气肠杆菌进行 非固态化实验时的产氢率达到了1 2 0m lh 2 l h 1 。后来他用多孔玻璃做菌体的载体做固 定化实验，产率是非固态化速率的7 倍，高达8 5 0m lh 2 l h ( h r t = l h ) 。 第一章引言 生物制氢技术研究在我国开展较晚，起始于2 0 世纪9 0 年代，但进展迅速，无论是 光解生物制氢技术还是发酵法生物制氢技术，其研究成果均已达到国际水平，如中国科 学院微生物研究所、上海植物生理研究所、上海交通大学、华东师范大学、浙江农业大 学和中国农业大学等。特别是哈尔滨工业大学在产氢的机理、细菌的选育、细菌的生理 生态学、生物制氢反应设备的研制等多方面进行了大量研究，在1 9 9 3 1 9 9 4 年，他们1 4 5 j 利用自己设计的连续流搅拌槽式反应器( c s t r ) 进行发酵产氢研究并提出了乙醇型发 酵产氢理论，反应器中部分丙酸、丁酸的累积被消除，产氢率达到了1 0 4m 3 h 2 m 3 d 。 几年后，他们又进行了中试的研究，取得了可喜的效果，获得了3 0m o l k v s s d 的持续 稳定的产氢能力。林明等人从厌氧生物发酵制氢的反应器的污泥中成功分离了一株目前 国际上已发现的具有最高产氢能力的发酵型细菌b 4 9 ，这一结果在发酵产氢方面有较大 的突破，从而使我国在国际生物制氢前沿领域中占有一席之地。 从纯菌种的厌氧发酵制氢的研究结果来看，纯菌的厌氧发酵制氢技术还不成熟，仍 处于初级阶段，利用其产氢有如下几个优点：产氢速率快、底物分解速率快、氢气的转 化率也大大提高。但想得到纯菌的条件也是相当苛刻的，不易大批量生产，且成本高， 底物的选择性差，多以葡萄糖、木糖、淀粉为主，目前只适用于实验室的研究。 但是，有针对性地研究当地秸秆资源和污泥中混合菌种的研究还较少，尤其是针对 苹果渣的生物发酵制氢研究。 我们研究小组选择的正是这一产氢技术，利用特殊来源的污水处理厂污泥，经一定 处理后作为天然厌氧菌来源，对苹果渣、麦秆和玉米秆经厌氧发酵产生氢气的过程及影 响因素进行了研究。结果发现，玉米秆、麦秆和苹果渣生成氢的纯度可分别高达5 5 f 3 0 j 。 1 3 生物制氢的发展趋势 虽然生物质发酵制氢技术研究在国外已有几十年的历史，但是生物质厌氧发酵制氢 技术仍处于探索和研究阶段，这有微生物多样性方面的原因，也有生物新陈代谢过程复 杂等方面的原因。目前，该技术的研究重点及发展趋势集中表现在以下几个方面： ( 1 ) 现有的厌氧菌发酵研究主要集中在纯菌种研究和细胞固定化方面【4 6 4 8 1 。这方 面，我国任南琪教授以厌氧活性污泥为菌种来源，通过用产酸发酵细菌培养基进行培养 和接种，以废糖蜜为原料，采用两相厌氧反应器制得了氢气，开创了利用非固定化菌种 进行生物制氢的新途径【4 9 】。樊耀亭【5 0 】等以牛粪堆肥作为天然混合产氢微生物来源，以 蔗糖为底物，通过厌氧发酵得到了生物氢气。 6 西北大学硕士学位论文 ( 2 ) 香港大学方汉平教授【5 l j 利用含有两种类型细菌的颗粒污泥处理含蔗糖的水溶 液得到了生物氢气。天然混合产氢微生物的发现大大促进了生物制氢技术的发展，赖俊 吉等【5 2 】以市政消化污泥为天然产氢菌源，以淀粉为底物通过厌氧发酵制备了生物氢气， 任南琪等【5 3 】以活性污泥作为天然菌种来源，以含糖废水作为底物成功制取了氢气。 ( 3 ) 在生物发酵制氢所用的底物方面，大多数研究集中在糖和淀粉上，包括一些 从糖厂和淀粉厂排出的高浓度有机废水5 4 , 5 5 】。但是，随着技术的成熟，人们也对一些比 较复杂的、更接近实际的一些底物作了深入性研究，并取得了可喜的成果。如n o i k 等 对豆渣产氢【5 6 】，a n n i k a 等对模拟家庭废物刚作了详尽的研究。 ( 4 ) 目前生物制氢的研究尚处于实验室研究阶段，要将其转化为可实用的应用技 术尚需不断努力。上海交大1 9 8 7 年在南通发酵厂建成了日处理3 0 0 0k g 规模的光合处 理中试装置【5 4 1 ，哈尔滨工业大学任南琪教授和王宝贞教授在世界上首次开发出一种达国 际领先水平的新型生物制氢技术和反应器，它以含碳水化合物为主的高浓度有机废水为 原料，以活性污泥作为菌种来源，发酵进行再生能源一氢气的生产，并投入中试生产【5 引。 ( 5 ) 从产氢的发展趋势上看，重点是选育高产氢的优势菌种和菌群，探索影响菌 种和菌群的产氢适宜条件；选择发酵添加剂以及优化发酵条件；设计产氢效率高、易于 推广使用的工艺和设备；从处理有机废水到直接的复杂有机废弃物( 天然纤维素等) 来 进行大规模产氢；并且利用一些物理的、化学的以及生物的【5 9 】预处理技术来提高原料的 利用率，提高产氢率，使生物制氢绿色能源生产技术具有更大的开发潜力和利用价值。 但是，以上研究在产氢量上均未突破目前世界上的最好结果：葡萄糖产氢量2 3m o l h 2 m o l ( 最高为3 3 3 底物的量百分含量) ，纤维素产氢量1 2 5m o lh 2 m o l ( 最高为1 5 4 底物的量百分含量) 。本项目的研究目的：以苹果渣、麦秆等可再生生物质为底物，探 索出一套厌氧发酵高效率产氢的生物发酵工艺参数，并尽可能具有实用价值。 陕西是苹果之乡，优质且大量的苹果除了直接食用外，人们还采用榨成汁的方式饮 用。然而，榨完果汁后含有大量的糖分的果渣却未得到很好得利用。目前，尚未发现高 附加值处理果渣的方法。实验表明果渣中含有较多的糖份【2 5 1 ，如果将糖转化为可以利用 的资源，不仅可以实现废弃物的再利用，而且减少了环境污染。因此，利用果渣、麦秆 等生物秸秆厌氧发酵法制氢，不仅对我省，而且对我国均具有十分重要的科学意义和经 济意义【印舵j 。我国年产污泥9 0 0 万吨( 合干污泥3 0 0 3 5 0 万t a ) ，从处理到最终处置主 要有焚烧和卫生填埋，处理成本越来越高。一个普通的污水二级处理厂中，污泥处理所 需投资约占总投资的3 0 - 4 0 ，运行费用约占总运行费用的4 0 - - 6 0 ，而且污泥最 7 第一章引言 终处置常采用填埋、填海或者农用，造成污泥中可回收利用资源浪费或者污泥中有害成 份对地下水造成二次污染，危害人身健康。由上可知，以苹果渣为底物，污泥为发酵菌 源，两者结合厌氧发酵生物制氢，变废为宝，是一条非常可取的途径。 1 4 本文研究的内容、目标和意义 研究突破了传统生物制氢技术必须分离，提纯，培养菌种的思路，直接使用自然界 中广泛存在的环境微生物作为产氢菌种。从含碳水化合物的工农业废弃物中直接由微生 物发酵获取氢气，在未来的生物制氢中存在巨大的潜力，这是因为除了剩余的农产品， 以生产蔗糖，淀粉和果品加工场等生产过程的废弃物和废水中都可以得到合适的原材 料。我国是农业大国，这必然为寻求新的天然高效产氢菌开辟了一条可行的新途径，也 为有机废水的经济处理提供了新思路。厌氧微生物能够降解含有这些物质的发酵厂，酿 酒厂，制糖厂，食品n - r 厂等的有机废水和含有糖类，蛋白质等的粮食，变质、劣质废 粮以及粮食加工废料，在实现生物制氢的同时，还可以使上述废水或固体废弃物不同程 度的得到净化处理。 查阅国内外最新文献，总结各种预处理方法的优缺点然后根据所选底物确定预处理 方法。本研究选择的发酵底物是苹果果渣，其中含有丰富的单糖、还原糖、果胶、纤维 素、半纤维素和木质素等物质，所以在考虑预处理方法时，要在将其中的纤维素、半纤 维素和木质素尽可能转化为可发酵糖类的同时，避免单糖和还原糖含量副反应而降低。 实验中主要选择了用盐酸浸泡为最佳底物处理条件【6 2 1 。测定木质素、纤维素和纤维素的 含量，通过其含量的变化分析各种处理方法对底物结构的影响。用d n s 法测定还原糖 含量，根据含量的变化分析酶解效率，通过排水集气法测量生物气体积。 菌种的培养是厌氧发酵的一个重要步骤，本实验主要研究的是污泥的驯化和预处 理，污泥的驯化可以缩短反应的迟滞时间，其原理就是培养菌种的过程，寻找到一个最 佳的培养菌种时间，使产氢菌能够在最佳驯化时间段里共存最多。不同的预处理可以使 污泥中的一些产甲烷菌不同程度的被杀死，本文选择的预处理方法有煮沸、酸处理、碱 处理、超声处理和紫外处理。在选择最佳的预处理方式和最佳驯化时间结合的条件下， 再选择其工艺条件，改变它的发酵底物浓度，污泥的用量和是否加酶预处理底物。利用 气相色谱法检测气相成分，分析氢气含量以及产氢量，发酵尾液经过一定的处理后利用 气相色谱分析其有机酸和醇的含量，根据其成分确定发酵类型，再根据它的发类型，简 单探讨下它的发酵机理。 8 西北大学硕上学位论文 参考文献 【1 】孙孝仁2 1 世纪的制氢技术 m 】科技情报开发与经济，1 9 9 5 【2 】毛宗强氢能_ 1 世纪的绿色能源【m 】北京：化学工业出版社，2 0 0 5 3 】康铸慧，王磊，郑广宏，等微生物产氢研究的进展 j 工业微生物，2 0 0 5 ，3 5 ( 2 ) ：4 1 4 9 【4 】d a sd ，n e j a tv e z i r o g l ut h y d r o g e np r o d u c t i o nb yb i o l o g i c a lp r o c e s s e sa s u r v e yo f l i t e r a t u r e j i n t e r j h y d r o g e ne n e r g y ，2 0 0 1 ，2 6 ：1 3 2 8 【5 】袁传敏，颜涌捷，曹建勤生物质制氢气的研究，煤炭转化，2 0 0 5 ，2 5 ( 1 ) ，1 8 2 2 6 z h a n gh ，b r u n sm a ，l o g a nb e b i o l o g i c a lh y d r o g e np r o d u c t i o nb yc l o s t r i d i u m a c e t o b u t y l i c u mi na nu n s a t u r a t e df l o wr e a c t o r ，w a t e rr e s ，2 0 0 6 ，4 0 ( 4 ) ，7 2 8 7 3 4 【7 】f a ny t ，z h a n gy h e f f i c i e n tc o n v e r s i o no fw h e a ts t r a ww a s t e si n t ob i o h y d r o g e ng a sb y c o wd u n gc o m p o s t ，b i o r e s o u r t e c h n 0 1 ，2 0 0 6 ，9 7 ( 3 ) ，5 0 0 5 0 5 8 】z h a oq b ，y uh q f e r m e n t a t i v eh 2p r o d u c t i o ni na nu p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t r e a c t o ra tv a r i o u sp hv a l u e s ，b i o r e s o u r t e c h n 0 1 ，2 0 0 8 ，9 9 ( 5 ) ，1 3 5 3 - 1 3 5 8 【9 】丁福臣，易玉峰制氢储氢技术，北京：化学工业出版社，2 0 0 6 【10 】f a n gh h p ，l ic l z h a n gt a c i d o p h i l i cb i o h y d r o g e np r o d u c t i o n f r o mr i c e s l u r r y ，i n t j h y d r o g e ne n e r g y ，2 0 0 6 ，31 ( 6 ) ，6 8 3 6 9 2 【1 1 】m uy ，w a n gg ，y uh q k i n e t i cm o d e l i n go fb a t c hh y d r o g e np r o d u c t i o np r o c e s sb y m i x e da n a e r o b i cc u l t u r e ，b i o r e s o u r t e c h n 0 1 ，2 0 0 6 ，9 7 ( 11 ) ，1 3 0 2 - 1 3 0 7 12 】h a r td h y d r o g e np o w e r ：t h ec o m m e r c i a lf u t u r eo f ”t h eu l t i m a t ef u e l , l o n d o n ：f i n a n c i a l t i m e se n e r g yp u b l i s h i n g ，1 9 9 7 1 3 】谭天伟，王芳，邓利。生物能源的研究现状及展望，现代化工，2 0 0 3