（环境工程专业论文）餐厨垃圾厌氧发酵制氢添加剂作用研究.pdf

摘要 ( 6 ) 碱剂可起到促进产氢和抑制甲烷菌活性双重作用。碱剂作用下泔脚、 米饭、白菜和鸡蛋体系中h 2 产量分别是无碱剂对照组的2 4 0 0 、5 3 0 、3 3 4 和 2 0 0 倍，且甲烷产量低于1 4m l ；无碱剂对照组则有大量甲烷生成。米饭、泔 脚和白菜是适合的产氢基质。 关键词：泔脚；厌氧发酵；生物制氢；碱剂 a b s t a c t a b s t a c t f o o dw a s t e sh a v en o tb e e na l l o w e df o rt h eu s e s 嬲l i v e s t o c kf e e d s ，a n dt h e i r s a f et r e a t m e n th a sb e e nr e c e i v e dg r e a ta t t e n t i o n a m o n gt h eo p t i o n sf o rt h ew a s t e s t r e a t m e n t ，a n a e r o b i cd i g e s t i o n i sc o n s i d e r e d e n v i r o n m e n t a l l y - f r i e n d l y a n d c o s t e f f e c t i v e i nt h i sw o r k ，a d d i t i v e se n h a n c e m e n tf o rb i o - h y d r o g e np r o d u c t i o n f r o mt h ef o o dw a s t e sw a se x p l o r e d ，t a k i n ga d v a n t a g eo ft h e i rh i g ho r g a n i cc o n t e n t s a n db i o d e g r a d a b i l i t y p r e t r e a t m e n tm e a n ss u c ha sa c i da n da l k a l i n ea d j u s t m e n t sf o rt h ei n o c l u a t e d s l u d g ea i m i n gf o rt h ep r o m o t i o no fb i o - h y d r o g e np r o d u c t i o n i tw a sf o u n d t h a ta c i d a n da l k a l i n e s o a k i n g o fi n o c u l a t e d s l u d g e c o u l de f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h e h y d r o g e n - c o n s u m i n g b a c t e r i aa n de n r i c h h y d r o g e n - p r o d u c i n g b a c t e r i a 1 1 1 e m a x i m u mh y d r o g e np r o d u c t i v er a t e sw e r ed e t e r m i n e dt ob e1 4 9a n d1 7m l _ g gv s r e s p e c t i v e l y , n e a r l y15t i m e so v e rt h ec o n t r o l l e dt e s t s , a ta ni n o c u l a t i o nr a t e4 0 ， m o i s t u r ec o n t e n t9 0 a n dt e m p e r a t u r e3 6 ，a n ds o a kp h4a n d12 a l k a l i n ea d d i t i v e ss u c ha sd e t e r g e n t s ，s i l i c a t e s ，s o d i u mc a r b o n a t ew e r ea d d e dt o t h ef o o dw a s t e sa n a e r o b i cd i g e s t i o ns y s t e mt oe n h a n c eb i o - h y d r o g e np r o d u c t i o n s i n g l e - f a c t o rt e s ti n d i c a t e dt h a tt h em a x i m u mh y d r o g e nv o l u m e t r i cc o n c e n t r a t i o n s a n dp r o d u c t i v er a t eo f51 7 8 a n d11 7 4m 1 g g v sc a l lb eo b t a i n e da tt h eo p t i m u m c o n d i t i o n so f2 0 a l k a l i n ea d d i t i v eo v e rd r yw e i g h to ff o o dw a s t e su s e d ，3 0 i n o c u l a t i o nr a t e ，9 0 m o i s t u r ec o n t e n ta n d3 6 m e t a l l i cf ep r e r s e n c ei nt h ed i g e s t i o ns y s t e mc a np l a ya na c t i v er o l eo nh y d r o g m p r o d u c t i o n w h e ni t sd o s e sw e r e6 ，10a n d2 0 o fd r yw e i g h to ff o o dw a s t e s ，t h e m a x i m u mh y d r o g e nv o l u m e t r i cc o n c e n t r a t i o n sw e r e4 8 2 2 ，4 1 8 2a n d4 1 6 7 a n d h y d r o g e np r o d u c t i v er a t e sw e r e7 4 2 ，61 7a n d8 6 6m l gv sr e p e c t i v e l y , n e a r l y1 4 0 ， 1 1 5a n d1 6 1t i m e so v e rt h a to ft h eb l a n kt e s t ( 5 3 8m u gv s ) 1 h ea d d i t i o no f f e 2 ( s 0 4 ) 3o b v i o u s l yp r o h i b i t e dt h ep r o d u c t i o no fh y d r o g e n y e a s te x t r a c tw a sas o u r c eo fo r g a n i cn i t r o g e n w h e nt h ed o s e sw e r e10 ，2 0a n d 3 0 o fd r yw e i g h to f f o o dw a s t e s ，t h em a x i m u mh y d r o g e np r o d u c t i v er a t ec a nr e a c h i i i 5 7 4 ，7 1 9a n d1 0 4 9m l gv sr e s p e c t i v e l y , n e a r l y1 11 ，1 4 0a n d2 0 3t i m e so v e rt h a to f t h eb l a n kt e s t ( 51 5m l gv s ) a l k a l i n ea d d i t i v ea d d i t i o nc a l le f f e c t i v e l ya c c e l e r a t eh y d r o g e np r o d u c t i o nw h i l e p r o h i b i tt h ep r o d u c t i o no fm e t h a n e i nt h ep r e s e n c e o fa l k a l i n ea d d i t i v e ，t h e m a x i m u mh y d r o g e np r o d u c t i v er a t eo ff o o dw a s t e s ，r i c e ，c a b b a g ea n de g g sw e r e 2 4 0 0 ，5 3 0 ，3 3 4a n d2 0 0t i m e s ，w i t hn e g l i g i b l em e t h a n ep r o d u c t i o n , o v e rt h o s eo f c o n t r o l l e dt e s tw i t h o u tt h ea d d i t i v e sw i t hl a r g ea m o u n to fm e t h a n ee v o l u t i o n k e yw o r d ：f o o dw a s t e s ，a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n , b i o - h y d r o g e np r o d u c t i o n ，a l k a l i n e a d d i t i v e s i v 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：表毒- a 、乍 1 r 卜 月 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在五年解密后适用 椴淼虢动 指导教师签名：召翻朔 2p - - 7 年3 月口e l 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题是上海市科学技术委员会科研计划项目课题“世博园区废弃物循环 利用成品制造集成技术与示范 子课题之一。主要研究内容为适合餐厨垃圾厌 氧发酵制氢的高效低成本工艺。 餐厨垃圾是食物垃圾中最主要的一种，包括家庭、学校、食堂及餐饮行业 等产生的食物加工下脚料( 厨余) 和食用残余( 泔脚) 。随着社会经济的发展， 城市人口的增多以及人民生活水平的提高，餐厨垃圾的产生量日益增大，其环 境安全问题也日益成为人们关注的焦点。餐厨垃圾成份复杂、有机物含量高、 营养元素丰富，具有很大的回收利用价值【l 】。但目前尚无成熟有效的处理处置 技术。本课题旨在餐厨垃圾基质优势、氢能源优势以及餐厨垃圾厌氧发酵制氢 可行性探索的基础上，进行适合的工艺条件系统研究，为餐厨垃圾生物制氢提 供技术依据。 1 2 课题背景 1 2 1 餐厨垃圾产生量 餐饮业餐厨垃圾产量占城市餐厨垃圾产量的一半以上。据报道，2 0 0 3 年上 海市餐厨垃圾产量就达1 2 0 0t d 【2 】，北京市更超过1 6 0 0t d ，占城市垃圾总量的 1 7 以上 3 1 。我国的餐厨垃圾产生量以每年约1 0 的速度递增，年新增产生量 达5 0 0 万吨。2 0 0 5 年上海市餐厨垃圾产量高达1 3 0 0t d ，全国产生量为6 5 0 0 万 吨。如此巨大的产量，若能有效转化为能源，将会由社会的负担产物转化为一 笔可观的潜在资源。 第一章绪论 1 2 2 餐厨垃圾特性 餐厨垃圾来源于人类生活的各个环节，总的来讲，我国餐厨垃圾具有以下 特性： ( 1 ) 产量大且成份复杂，是油、水、果皮、蔬菜、米面、鱼、肉、骨头以 及废餐具、塑料、纸巾等多种物质的混合物。 ( 2 ) 极易变质、腐烂、发酵，滋生蚊蝇，产生大量毒素及散发恶臭气体， 污染水体和大气，直接排入下水道还会引起下水道堵塞。 ( 3 ) 来源复杂，含有各种细菌和病原菌，同时富含蛋白质、脂肪、碳水化 合物等有机物，不能满足动物安全饲料的要求，与某些动物疾病如口蹄疫等有 直接或间接的关系，还可能因食物链危害人体健康。 ( 4 ) 派生的“潲水油 极易产生致癌物质一黄曲霉素，不法商贩将潲水油 掺入食用油，对人体健康造成严重危害。 另一方面，餐厨垃圾主要以淀粉、蛋白质和动物脂肪类等为主。与其他垃 圾相比，具有含水量高、有机物含量高、盐分及油脂含量高、糖类含量比率大、 营养元素丰富、有毒有害物质( 如重金属等) 含量少等特点。 餐厨垃圾的以上特性说明：一方面其具有很大的回收利用价值【l 】；另一方 面必须采取适当措施，得到社会效益、经济效益和环境效益的统一。 1 2 3 厌氧生物技术及氢能源优势 经济的快速增长和能源的过渡消耗使得能源问题成为世界性问题。我国资 源总量丰富，但人均占有量少，能源安全问题凸现。氢能是很好的能量载体， 具有资源丰富、清洁能源、运送、携带和储藏方便等诸多优点。目前全世界每 年需要的氢气量是五千万吨，并且以每年1 0 的速度增长。因此研究开发高效 节能的氢气生产技术成为当前研究的热点。 废弃物生物质能开发及利用是能源再生的重要组成部分【4 】。厌氧发酵技术 是有机物能源转化的主要技术之一，有机废物生物发酵制氢已成为世界各国普 遍关注的焦点垆j 。我国餐厨垃圾产量巨大，其性质也决定其蕴含大量生物质能 源，若资源化利用将可成为我国能源安全保障的有益补充。 2 第一章绪论 1 3 研究的目的、意义、内容、实验设计与创新之处 本文从泔脚废物处理技术能达到高效产氢的要求出发，进行泔脚废物厌氧 生物制氢可行性及较系统的发酵工艺研究，以满足当前城市泔脚处理技术以及 氢能源技术开发的迫切需求，为泔脚废物多阶段、多途径的绿色资源化技术发 展提供实验研究基础。 主要研究内容包括： ( 1 ) 泔脚废物及接种污泥特性目前我国泔脚废物发酵制氢实验研究较少 且泔脚组分复杂，进行泔脚废物以及接种污泥特性分析，为后续实验的设计与 进行提供资料基础。 ( 2 ) 接种污泥预处理方式。研究不同p h 酸浸泡、碱浸泡接种污泥对泔脚发 酵制氢气、液相的影响。 ( 3 ) 碱剂对泔脚废物发酵制氢的作用。针对泔脚极易酸化，消化过程中底 物p h 值过低与产氢菌生存存在较大矛盾，添加一定配方的碱剂作为p h 值缓冲 剂，通过对比试验确定合适的添加量。 ( 4 ) 碱剂作用下的工艺优化。在最佳碱剂量的基础上进行污泥接种率、含 水率、温度等实验研究及优化条件下跟踪实验，观察气相及液相产物变化趋势， 为进一步研究提供合适的工艺参数。 ( 5 ) 优化条件下不同氮源及f e 形态的影响。为进一步提高泔脚氢气产量， 进行蛋白胨、牛肉浸膏、酵母浸膏和尿素等不同氮源及f e s 0 4 、f e e ( s 0 4 ) 3 和f c 粉等不同形态f e 添加量实验。 ( 6 ) 碱剂作用下泔脚组分生物发酵制氢的比较。泔脚废物组分复杂且差异 巨大，产氢能力各异。利用各种具代表性的单组分如米饭( 淀粉类) 、肥肉( 脂 肪类) 、鸡蛋( 蛋白质类) 和白菜( 纤维类) 等发酵制氢，主要研究碱剂对各 种组分发酵制氢的作用效果。 本文的创新之处在于：首次在国内外以一定配方碱剂为添加剂进行泔脚废 物发酵制氢能力及工艺探讨研究。 3 第一章绪论 1 4 主要技术路线 4 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 餐厨垃圾处理技术现状与分析 传统的餐厨垃圾处置方式是直接作为动物饲料。但其中蛋白质、脂肪、碳 水化合物含量高，不符合动物食物链和满足动物安全饲料的要求，且与某些动 物疾病如口蹄疫等有直接或间接联系。因此许多地方政府部门已明令禁止餐厨 垃圾直接喂养动物。面对庞大的垃圾产量、日益严重的环境和能源危机问题， 研究和开发合适的餐厨垃圾处理工艺及相应的装备势在必行，对其处理也要本 着既要治理污染，又要利用其有效成分的原则。 2 1 1 粉碎直排 由于厨房空间有限，因此就地减量处理是餐厨垃圾处理的基本立足点。目 前一些国家普遍采用在厨房配置餐厨垃圾处理装置，将粉碎后的餐厨垃圾通过 下水道排人市政下水管网的方法。如国外研制的餐厨垃圾机械研磨装置即通过 高速运转的刀片将装在内胆的各种食物垃圾切碎搅拌后冲入下水道，这样可部 分解决下水道堵塞问题。但餐厨垃圾粉碎直排容易产生污水和臭气，滋生病菌、 蚊蝇和导致疾病传播，油污凝结成块会造成排水管堵塞，降低城市下水道的排 水能力，高油脂含量等特性也增加了城市污水处理厂和垃圾填埋场负荷，同时 也不可避免的产生二次污染。 2 1 2 填埋 由于餐厨垃圾中有机物可生物降解组分含量高，产气速度快且产气量较大、 稳定时间短，有利于垃圾填埋场地恢复使用且操作简便，因此填埋是目前应用 比较普遍的处理方法。但厌氧分解产生的沼气和渗滤液会造成二次污染，减少 符合填埋条件的土地面积，同时造成餐厨垃圾中几乎所有营养物资的损失，因 此一些国家已禁止未经处理的餐厨垃圾进入填埋场，如韩国全国于2 0 0 5 年起所 有填埋场将不在接受餐厨垃圾。 5 第二章文献综述 2 1 3 蚯蚓堆肥 蚯蚓堆肥是近年来发展起来的一项生物处理技术。其机理是蚯蚓吞食大量 有机物质，并将其与土壤混合，通过砂囊的机械研磨作用和肠道内的生物化学 作用将有机物转化为自身或其他生物可以利用的营养物质。每亩土地每年可处 理1 0 0t 有机垃圾，生产2 _ 4t 蚯蚓和3 7t 高级蚯蚓粪。蚓体可提取蚓激酶和蛋 白饲料添加剂，蚓粪可做高效生物有机肥。餐厨垃圾有机物含量高，尤其适合 使用这种技术【6 】。如日本的比嘉昭夫研制出将餐厨垃圾转化成无毒无臭蚯蚓饲 料的技术，即将其发明的e m 原露稀释后喷洒在餐厨垃圾表层，用塑布盖严使 之发酵腐熟，该技术投资少，简单易行。 2 1 4 提取生物降解性塑料技术 1 9 9 9 年，日本学者s h i r a i 提出了通过厨房垃圾发酵生产乳酸，进而合成聚 乳酸这种可生物降解性塑料的技术，为厨房垃圾的资源化和降低乳酸生产成本 开辟了一条新的途径【。丌。王旭明掣8 】利用选择性培养基m r s 、s l 、e l l i k e r 从厌 氧发酵的厨房垃圾中分离得到2 6 0 株乳酸细菌( l a b ) ，厨房垃圾接种乳酸菌 后乳酸产量提高，其中f d l 7 3 的乳酸产量最高，3 5 厌氧发酵4 d ，可得到乳酸 3 0 0 9g l ，分别比参比菌株保加利亚乳杆菌和不接种对照高3 5 8 7 和1 1 4 9 。 汪群彗课题组也对餐厨垃圾乳酸发酵菌种的筛选，乳酸的提取和精制，乳酸聚 合成聚乳酸的工艺优化以及发酵残渣利用等方面有着深入研究【9 】。 餐厨垃圾乳酸发酵可解决城市垃圾中排放量大且难处理的餐厨垃圾环境污 染问题，制成的生物降解性塑料可望成为通用塑料的替代品，为塑料工业提供 丰富的原料来源，并解决白色污染问题。从餐厨垃圾等可再生资源生产生物降 解性塑料必将成为研究发展的热点【l 0 1 。 2 1 5 固态发酵 以餐厨垃圾为原料进行酵母固态发酵生产菌体蛋白饲料，可提高氨基酸、 蛋白质和维生素含量，代替大豆，鱼粉等蛋白饲料。邬苏焕等【1 1 1 利用固态发酵 的方法处理城市餐厨垃圾，研究中采用多种酵母菌和霉菌混合发酵，筛选出( 白 地霉f - 1 ，米曲霉f 6 ) 为优势菌种组合，最优化发酵条件为：发酵培养基高温 6 第二章文献综述 灭菌2 0m i l l ，加入( n h 4 ) 2 s 0 41 ，k h 2 p 0 44 ，n a c l3 ，初始p h5 5 、含 水率6 0 左右；种子液1 5 ，接种比例为1 ：1 ，发酵5d ，最终得到的饲料粗蛋 白含量3 3 8 7 ，比原料增加6 8 5 。该方法投资少、见效快、能耗低、操作简 便。陈金钟等【1 2 】采用多菌种混合发酵同时处理泔脚和秸杆，在泔脚和秸杆粉按 3 ：1 混合，温度1 5 0 ，高压锅中高温湿热酸处理的条件下，经初步双菌混合发 酵试验所得的饲料产品质量为：粗蛋白 2 5 ，粗纤维 m g + ，f c 2 + 和n i 2 + 是促进发酵产氢的直接因素。 以蔗糖为底物，n a + 离子浓度较低( 1 0 0 0m g l ) 时对微生物活性和产 氢能力有不良影响；n a + 离子浓度在1 0 0 0 2 0 0 0m g l 时，对厌氧发酵产氢有促 进作用；n a + 离子浓度在8 0 0 0 - 1 6 0 0 0m g l 时，对厌氧发酵产氢有明显抑制作用 4 9 1 。厌氧酸化实验中c d 2 + 的浓度低于2 0m g l 时能够促进产氢，高于这个值 则会产生抑制作用；c ，会降低总挥发酸、沼气和乙醇产量，但对氢气和丙酸 的积累不产生影响 5 0 1 。对e a e r o g e n e s 生长和产氢来说，添加c o c h 可提高氢产 量；添加m n c l 2 能提高产氢速率；但c u s 0 4 的加入却会降低氢产量；而添加 n a w 0 4 则会完全抑制产氢，如果将这两种物质同时加入反应体系中，则会产生 协同抑制作用。 目前研究只有铁对产氢微生物的作用机理相对较清楚，其它如p 、c r 3 + 和 c d 2 + 等只有量上的描述性研究，而对生理功能、作用机理等研究较少。 2 2 5 发酵产物 发酵法生物制氢的产物除氢气外，还有挥发性脂肪酸( 如乙酸、丙酸和丁酸 等) 、醇类等液相产物及c 0 2 等气相副产物。这些产物的过渡积累均会对微生 物活性及其生理过程产生不良影响。 氢的产生是产氢菌将铁氧还蛋白和携带氢的辅酶再氧化的一种过程p 。根 据气液平衡关系，气相中氢分压的升高必然使液相中氢浓度升高，不利于再氧 化过程的进行，从而抑制产氢过程。此外氢分压还会影响发酵产物组成及其含 量。m i z u n oo 掣5 2 】利用氮气鼓泡吹脱厌氧微生物群( 主要是c l o s t r i d i u ms p ) 发 1 5 第二章文献综述 酵液中的氢气以降低氢分压，产氢速率从未吹脱时的2 0 8m lh 2 m i n l 上升 到3 3 1m lh 2 m i n l ，氢气产率也提高6 8 2 。o s a m um 等嘲和l i n av 跚从 降低氢分压方面考虑，向反应器鼓氮气，增加混合程度使氢气顺利逸出，从而 提高了反应速率、比产氢率和产氢率。 乙酸、丙酸和丁酸等有机酸是微生物发酵产氢的副产物。微生物发酵产氢 过程中生成的有机酸会降低系统的p h 值，过渡积累还会加速系统中氢气的消 耗，从而抑制有机物的继续分解和产氢过程。一般认为发酵细菌的发酵类型是 丙酸型和丁酸型。丁酸浓度高于1 3g l 时，微生物的生长和产氢均会受抑制。 乙酸对产氢菌的毒性低于丁酸。马欢等【5 5 】以甲酸为发酵原料，控制发酵料液的 p h 值在4 8 左右，得出当乙酸浓度7 0 0 0m g l 时，厌氧发酵抑制作用显著， 产气停止。丙酸的积累对产氢过程影响最大，因此应尽量避免发酵过程中丙酸 的产生和积累。 p h 对发酵末端产物有重要影响。低p h 值会增加丁醇的产生，其会破坏细 胞维持胞内p h 值的能力、降低胞内a t p 的水平及影响葡萄糖等基质的吸收； 高p h 值则会引起微生物结团，影响传质过程和葡萄糖等物质的吸收。 二氧化碳是伴随氢气产生的一种气相副产物，其浓度也会影响氢的产生速 率和产量。微生物可利用二氧化碳、丙酮酸和n a d h 等合成琥珀酸和甲酸，由 此与n a d h n a d + 氧化还原平衡调节产氢反应产生竞争，从而使产氢过程受到 影响。 2 2 6 操作工艺条件 2 2 6 1 预处理方式 由于废弃物自身的原因( 体积大，成分复杂等) ，有机废弃物往往发酵速 度缓慢。为提高发酵速率，固态废弃物通常先经过溶解、粉碎和水解等方式转 化为液态、半固态，再进行发酵产氢。有些有机废弃物性质复杂，有机部分或 易为微生物利用的部分被无机部分包裹，为提高发酵速率，也应先使这些部分 暴露出来。例如剩余活性污泥中的有机物大部分是微生物细胞物质，厌氧发酵 时可采用预处理( 如酸碱处理、热处理、超声处理等) 方式先对污泥微生物 细胞壁进行降解，以此替代微生物分解溶胞酶来降解微生物细胞壁的过程，从 而加速污泥水解和提高发酵速率。 1 6 第二章文献综述 另一方面，有机废弃物中微生物种类复杂且多采用混合菌发酵，产氢微生 物和嗜氢微生物共存，产氢微生物产生的氢气容易被嗜氢微生物消耗，氢气分 离和收集困难，因此需抑制或杀死嗜氢微生物。目前采用的方法有酸碱预处理 和热处理等。 蔡木林等【5 6 】利用剩余污泥为基质，考察原污泥和经碱处理的污泥在不同初 始p h ( 3 0 1 2 5 ) 条件下的产氢效果，原污泥在初始p h 为1 1 o 时获得的最 大产氢率为8 1m l ，而碱处理污泥在同样初始p h 条件下可将产氢率提高一倍 左右，最大产氢率为1 6 9m l 。以高温( 1 0 0 ) 预处理1 5m i n 的厌氧活性 污泥为种泥，3 7 和p h6 0 条件下，较宽稀释率( 1 0 - 4 0d 1 ) 范围内，可实 现较好的餐厨垃圾厌氧发酵产割5 7 1 。 目前第三种方法通常用于批量实验或接种物处理，其中热处理是最常用的 接种物预处理方式。 2 262 温度 厌氧细菌可分为嗜热菌( 或高温菌) 和嗜温菌( 中温菌) ，相应地，厌氧 消化分为高温消化( 5 5 0 c 左右) 和中温消化( 3 5 0 c 左右) 。不同产氢微生物 的最适温度存在较大的差异。例如c l o s t r i d i u ms p n o 2 发酵阿拉伯糖的温度为 3 6 0 c ，而t h e r m o t o g ae t f i 的产氢温度为6 5 0 c 。温度对产氢产酸发酵过程有显著 影响。当温度在3 5 3 8 0 c 范围时，反应器中的厌氧活性污泥和微生物菌群的发 酵与繁殖速度最快，有机物酸化率及产气率也达到最大。出于节能的考虑，目 前大多数研究都采用中温( 3 7 左右) 发酵产氢。 张薇等【5 8 】以葡萄糖为基质，以河底沉积物接种，在c s t r 中成功实现了连 续中温( 3 7 ) 厌氧产氢，最高产氢量达8 6l ( l d ) ，基质产氢摩尔比( h 2 葡萄糖) 为1 9 8 ；以蔗糖为基质，厌氧产甲烷颗粒污泥接种，在u a s b 中成 功实现了高温( 5 5 ) 厌氧产氢，最高产氢量达6 8l ( l d ) ，基质产氢 摩尔比( h 2 蔗糖) 为3 6 。通过对两种产氢污泥的总d n a 进行提取和纯化、 p c r 扩增和d g g e 分析，发现高温和中温厌氧产氢污泥中大部分真菌种类相同， 但各自的优势菌种明显不同。 2 26 3 p h 值和碱度 p h 值是发酵法生物制氢的关键因子，其对发酵产氢的影响往往与细胞内 1 7 第二章文献综述 n a d h n a d + 动态平衡和产氢菌的生理条件有关。p h 值会对产氢微生物细胞 内氢化酶的活性和( 或) 代谢途径、细胞的氧化还原电位、基质可利用性、代 谢产物及其形态等产生影响。通常每种产氢微生物均有其最佳p h 值。 发酵产氢一般是在酸性条件下进行的。一方面可抑制产甲烷菌的活性，另 一方面，在e m p 途径中产生还原型n a d h + h + ，通过n a d + n a d h 的平衡调 节产到5 9 1 ，形成氧化型n a d 4 - 的过程也需要在酸性条件下进行。 李建昌等【删以有机酸为基质，厌氧活性污泥未接种物，在恒温2 5 * ( 2 、不同 p h 值下发酵产氢，得出p h 值过高时有大量甲烷生成，p h 值过低时则对产氢 细菌不利，发酵产氢的启动p h 值不宜底于4 3 。刘克鑫等【6 l 】从厌氧活性污泥中 分离出2 4 株产氢细菌，大多属于肠道杆菌，环境p h 值过低时，细胞体内的p h 值将会偏离正常生理条件下p h 值( 一般为6 7 ) ，从而失去产氢活性。大多 数研究认为微生物发酵产氢的最佳p h 值在5 0 7 0 之间【6 2 】 p h 值改变会影响混合培养体系中的优势微生物，从而影响氢、有机酸等代 谢产物。p h 值在4 0 5 0 之间时，呈现典型的乙醇型发酵，发酵末端产物中乙 醇、乙酸含量最高( 4 0 p h 4 5 时，以乙醇、乙酸、丁酸为主) ；p h 小于4 0 时，有机酸的积累可使细菌的产氢代谢过程受到严重抑制，导致产气率急骤下 降。 碱度曾一度被认为是厌氧消化过程中非常重要的影响因素，其主要是保证 厌氧体系具有一定的缓冲能力，维持合适的p h 值，厌氧体系一旦发生酸化， 则需要很长的时间才能恢复。高有机负荷下，进水碱度( 以c a c 0 3 计) 维持 3 0 0 5 0 0m g l ，可保证乙醇型发酵的最适p h 值( 4 o - 4 5 ) ，污泥产氢能力可得 到一定提高【6 3 1 。碱度可采用投加n a h c 0 3 、n a o h 、n a 2 c 0 3 和石灰等方法调节， 其中以投加石灰乳为佳。 2 264 氧化还原电位( o l 冲) 氧化还原电位( o r p ) 是微生物生长繁殖重要的环境因子之一，对微生物 的生存状态有着重要影响。厌氧微生物的脱氢酶系( 包括辅酶i 、铁氧还蛋白和 黄素蛋白等) 在低的e h 值环境才能保持活性，因此厌氧微生物要求的氧化还原 电位较低。 氧化还原电位受多方面因素的影响：氧分压。氧分压高，氧化还原电位 高，反之则低；还原性物质。微生物对有机物的氧化及代谢过程中所产生的 第二章文献综述 氢、硫化氢等物质，会使环境中的e h 值降低；p h 值。p h 值较低时，氧化 还原电位高；反之则低。生物制氢反应器正常运行时反应器中的o r p 基本稳定， 保持在1 0 0 1 2 5m v 之剐6 3 1 。 2 26 5c n 比 微生物的生长代谢离不开碳和氮这两种重要的营养元素，两者在量上的比 例关系为碳氮比( c n ) 脚】。c n 比对微生物的生长和代谢途径、代谢产物的 积累、基因表达及酶活性水平等都有重要影响。 王勇等【6 5 】研究了c n 比对厌氧活性污泥产氢发酵类型和产氢能力的影响。 李秋波等 6 6 1 分析了不同c n 比下产氢细菌x - 2 9 的产氢能力及氢化酶和乙醇脱 氢酶的活性表达情况，当c n 比为1 4 时, 7 ( - 2 9 具有最大累积产氢量2 2 1 0 9 m l g ； 不同c n 比下氢化酶活性随着发酵进行达到高峰后迅速降低，表达活性不同且 周期较短；不同c n 比下乙醇脱氢酶活性随着代谢进程逐渐升高后趋于平稳， 表达活性差异较小且周期较长；c n 比为1 4 时，氢化酶和乙醇脱氢酶的活性 最高，分别为2 8pt o o l ( m i n r a g ) 1 和3 3 2ut o o l ( m i n r a g ) 。产 氢细菌r e n n a n q i l y f 3 生长和产氢的最佳c n 为3 3 ，产氢量为3 1 8m m o l ，氢气 体积分数达到5 0 8 ，葡萄糖利用率为7 3 2 【6 7 1 。 2 266 搅拌速率及功率 搅拌对产氢发酵有重要影响。搅拌可促进传质过程，加速氢气从液相向气 相的转移，从而降低液相中的氢含量。 搅拌速率不仅对混合液的流动状况及微生物与底物的接触机会有影响，而 且对代谢速率、气体释放速率及生物发酵途径等都有较大影响。在产氢发酵液 中，不搅拌时氢含量比搅拌时高。转速较低时，污泥絮体易沉于罐底，较轻的 絮体及表面吸附气泡的絮体则会上浮；转速适宜时，污泥絮体完全处于悬浮状 态，产氢速率随搅拌器转速的增加而增加，最终达到最高产氢速率；转速过高 时，产氢速率降低。 2 2 6 7 水力停留时间( h l 汀) 有机物进入生物制氢反应器后，在各种微生物作用下水解、发酵产酸，同 时释放h 2 和c 0 2 。合适的水力停留时间( h i 玎) 能够达到筛选产氢菌、淘汰耗 氢菌的目的，提高底物的氢转化率。水力停留时间过短，产酸发酵过程得不到 1 9 第二章文献综述 充分进行；停留时间过长，则影响反应器效能的发挥。根据产氢能力和悬浮物 截留能力，生物制氢反应器的水力停留时间( h r t ) 维持在4 - 6 h 较为合适。 2 2 7 生物产氢研究现状与进展 厌氧产氢研究虽然在机理及实用系统的开发方面有很大进展，但基本上仍 实验阶段上，尚未实用化。关键原因在于现有的产氢系统速率不够高及受到自 身产物的抑制【鹋】。 分离鉴定高效产氢细菌不但是解决发酵法生物制氢产业化的工程菌基础课 题，而且为产氢细菌遗传改良和生理生化研究提供了重要资源【6 9 】。因此有必要 对高效产氢生物特性及种群生态进行进一步研究。t a n i s h o 等【1 7 0 】详细进行了产氢 发酵细菌的研究；k u m a r 从树叶中分离到的e n t e r o b a c t e rc l o c a e 菌株，在p h6 0 、 3 6 c 条件下，最大产氢速率可达2 9 6 3m m o lh 2 ( g 干细胞h ) ，是目前资料报 道产氢能力最高的产氢发酵细菌。 目前发酵产氢基质多为成分单一的纯组分，如葡萄糖、果糖、淀粉、纤维 素等。国内外许多学者还进行了简单废水、模拟废水的生物产氢研究【7 1 , 7 2 , 7 3 】。 有机废物中资源丰富，但由于其物料特性复杂因而产氢难度更大，与废水生物 产氢相比，以有机废物为基质进行研究起步较晚，研究进展也相对较为缓慢。 目前，有机废物生物制氢研究多停留在实验室小型容器( 试管、血清瓶等) 研 究阶段。 目前国内外生物发酵产氢研究的主要成果及发展方向主要包括：( 1 ) 高效 菌种的分离和筛选；( 2 ) 产氢基质的可行性研究；( 3 ) 生态影响因子研究； ( 4 ) 细胞固定化与非固定化技术等等。而产氢系统优化、产氢抑制因素去除、 菌种改良、产氢大规模化等许多方面还有待进一步研究。 第三章接种污泥酸碱预处理对餐厨垃圾发酵制氢的影响 第三章接种污泥酸碱预处理对餐厨垃圾发酵制氢的影响 3 1 引言 碳水化合物是发酵法生物制氢的较优底物【7 4 , 7 5 , 7 6 。近年来，利用各种富含 碳水化合物的有机废物发酵制氢已逐渐成为一个研究热点及主要发展方向。 泔脚是厌氧发酵制氢的较优基质【77 1 ，但正常酸化条件下氢气产率很低。要 提高产氢效率和产率，富集产氢菌种和消除耗氢菌、控制环境条件是必要前提 条件。热处理是目前实验研究中常见的产氢菌筛选和富集方式，但会消耗大量 热能。接种污泥碱处理可起到污泥融胞( 使污泥细胞中的有机物溶出) 、富集 产氢菌并抑制耗氢菌生长的作用。高p h 值能有效抑制产甲烷菌发酵过程，对 产氢菌的影响却不大，从而提高污泥发酵的产氢率 5 4 1 。因此本节以泔脚废物为 基质，主要研究接种污泥酸碱预处理对泔脚产氢的促进作用。 3 2 材料与方法 3 2 1 试验材料 ( 1 ) 餐厨垃圾：取自同济大学西苑食堂，主要成分为米饭、蔬菜和肉类。 取样后，手工分拣出骨头、鱼刺以及饮食器具等杂物，再用食品搅拌机搅碎， 以增大样品表面积，提高其流动性。 表3 1 泔脚特性 含水率总固体挥发性固体灰分 n h 4 - n t ps c o dt c o d 特性 p h 值 ( t s ) ( v s ) ，t st s m g l m g gm g lm g g 5 7 97 4 4 32 1 8 2 9 1 9 94 3 46 7 0 8o 3 08 6 7 0 82 3 3 2 8 数值 6 1 47 8 1 82 5 5 79 5 6 6 8 0 l1 2 1 7 3 o 5 8 1 4 1 3 6 8 3 3 2 4 9 泔脚废物中米、面食品含量高达6 0 ，蔬菜含量约为3 0 ，肉食品含量 约占1 0 左右，而米面、蔬菜等都是高碳水化合物物质，因此泔脚中生物质组 分含量高且营养元素丰富。由上表可以看出，泔脚中挥发性固体含量为 2 l 第三章接种污泥酸碱预处理对餐厨垃圾发酵制氢的影响 9 1 9 9 9 5 6 6 t s ，无机灰分含量4 3 4 - 8 0 1 ，t c o d 浓度2 3 3 2 8 - 3 3 2 4m g g ， 滤液中s c o d 浓度8 6 7 0 8 1 4 1 3 6 8m g l ，是一种典型的高有机物含量的固体废 弃物。 ( 2 ) 接种污泥：取自曲阳污水处理厂脱水污泥。实验时加入适量自来水， 搅拌后过1 2 5m n l 筛，筛除一些大体积杂物，放入密封玻璃瓶中在3 5 c 的恒温 室中放置一天，以驯化污泥中的微生物，使其适应中温环境。 表3 2 接种污泥特性 特性 p h 值 含水率总固体挥发性固体灰分n h 4 - n t ps c o dt c o d ( t s ) ， ( v s ) t st s m g lm g gm g lm g g 5 7 8 8 8 1 88 5 46 9 5 32 5 8 l8 7 7 30 7 68 9 8 29 7 数值 6 8 69 1 4 61 1 8 27 4 1 93 0 4 71 7 8 8 91 2 45 0 6 6 01 8 0 7 6 与泔脚相比，污泥中有机物含量较低，挥发性固体含量为6 9 5 3 7 4 1 4 t s ， t c o d 浓度9 7 1 8 0 7 6m g g ，s c o d 浓度8 9 8 2 5 0 6 6 0m g l 。但污泥p h 值较高， 位于5 7 8 6 8 6 之间，这主要与污泥的组成有关。污泥的主要成分为蛋白质，蛋 白质易水解为氨、肽和氨基酸，因此污泥中的n h 4 - n 浓度也相对较高 ( 6 7 7 3 1 7 8 8 9m g l ) ，且污泥中p 元素含量较高( o 7 6 1 2 4m g g ) 。总的说 来，污泥中植物营养元素丰富，作为种泥可部分补充泔脚发酵过程中的氮源和 磷源，同时对体系p h 进行部分缓冲。 3 2 2 试验装置 图3 1 排水法实验装置图 第三章接种污泥酸碱预处理对餐厨垃圾发酵制氢的影响 3 2 3 试验设计与内容 采用2 5 0m l 血清瓶进行泔脚发酵产氢批式实验，主要考察不同p h 值酸浸 和碱浸污泥作为种泥对泔脚发酵产氢的影响。以气相产物中氢气生成的体积浓 度和产量作为产氢因素影响的主要评价指标。 试验因素条件如下： ( 1 ) 接种污泥酸处理：将恒温室驯化污泥放入广口瓶中，用lm o l lh c i 溶液分别调节污泥p h 到3 、4 、5 和6 ，放入3 6 。c 恒温室培养2 4h 。 ( 2 ) 接种污泥碱处理：将恒温室驯化污泥放入广口瓶中，用1m o l l n a o h 溶液分别调节污泥p h 到7 、8 、9 、1 0 、1 1 和1 2 ，放入3 6 恒温室培养2 4 h 。 称取分拣破碎泔脚( 干重) 5 0g ，按照接种率( v ) 4 0 ( 污泥与泔脚干 重比) 分别添加不同p h 值浸泡污泥2 0g ，调节含水率( w ) 为9 0 ，通氮气 密封后放入3 6 ( t ) 恒温室。同时用原污泥做一组对比实验。 实验流程图如下： 图3 2 实验流程图 第三章接种污泥酸碱预处理对餐厨垃圾发酵制氢的影响 3 2 4 分析方法0 7 i ，例 生物气体积采用排饱和食盐水法收集和测量。发酵气体组分和含量用气相 色谱法测定：g c 1 4 b 型气相色谱仪；热导检测器；1 0r e x 2i t m l 不锈钢填充柱； 担体：g d x 1 0 4 ，8 0 1 0 0 目；载气：氮气( 流量：3 0m l m i n ) ；桥电流9 0m a ； 检测器、进样器及色谱柱温度分别为：9 0 、4 0 、4 0 ；进样量：0 2m l 。 氢气体积的计算方法： 。f = 纠+ q ( 圪一圪川) + ( 。，一q 川) 其中：，、h 第i 次和( i 1 ) 次测气时累积h 2 的体积( m l ) q ，、c h n 第i 次和( i 1 ) 次测气时氢气的体积浓度( ) 圪j 、川第i 次和第( i - 1 ) 次测气时的排水的体积( m l ) 底物分析：p h 值采用z d 2 型自动电位滴定仪测定；总磷( t p ) 采用钼酸 铵分光光度法测定；氨氮( n h 4 - n ) 采用纳氏试剂法测定；c o d 采用重铬酸钾 法测定；含水率、t s 、v s 和灰分根据国家标准方法测定。 3 3 结果与分析 3 3 1 污泥酸处理对泔脚厌氧产氢的