（环境科学专业论文）cstr生物制氢系统不同发酵类型产氢能力的对比研究.pdf

摘要 关键词厌氧发酵；生物制氢；产氢能力；有机负荷 a b s t r a c t a b s t r a c t 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 np r o c e s sb ya n a e r o b i c 晚r m e n t a t i o ni san e w , l o we n e r g y c o n s u m i n ga n dc l e a nt e c h n o l o g yw h i c hi n c l u d e st h eu t i l i z a t i o no fr e n e w a b l ee n e r g yr e s o u r c e s w h i c ha r ei n e x h a u s t i b l ew i t ht h ep r o d u c t i o no fh i g hq u a l i t yf u e lg a s t h e r ea r em a i n l yt h r e e f e r m e n t a t i o nt y p e si nd a r kf e r m e n t a t i o nh y d r o g e np r o d u c t i o n ：e t h a n o l t y p ef e r m e n t a t i o n ， b u t y r i ca c i d t y 7 p ef e r m e n t a t i o na n dp r o p i o n i ca c i d t y p ef e r m e n t a t i o n ，t h i ss t u d yu s e da c o n t i n u o u sf l o ws t i r r e dt a n kr e a c t o r ( c s t r ) t oc o m p a r eh y d r o g e np r o d u c t i o nc a p a b i l i t yo f t h e m t h ee f f e c to fo r g a n i cl o a d i n gr a t eo no p e r a t i o no fc o n t i n u o u sf o wa n a e r o b i ca c t i v a t e d s l u d g ef e r m e n t a t i o ns y s t e mf o rh y d r o g e np r o d u c t i o nw a si n v e s t i g a t e dt o o e a c h 玉【i n do ff e r m e n t a t i o nw a sp e r f o r m e db yd i f f e r e n tm i c r o b i a lp o p u l a t i o n s ，a n de a c h p o p u l a t i o nt u r n e di n t oac l i m a xc o m m u n i t yi nd i f f e r e n ts t a g e so ff e r m e n t a t i o nt y p e s ，d e p e n d i n g o nl i v i n ge n v i r o n m e n ts u c ha sp ha n dr e d o xp o t e n t i a lv a l u e ( o r p ) i tw a sd e m o n s t r a t e dt h a t u n d e rt h es a m eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e s ( h r t = 6h ) a n di n f l u e n tc h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ( c o d = 5 0 0 0m e l ) a t3 5o c ，e t h a n o l - t y p ef e r m e n t a t i o n , b u t y d ca c i df e r m e n t a t i o na n d p r o p i o n i ca c i d t y p ef e r m e n t a t i o nw e r ef o r m e d 、析mp ha n do r po f 4 2 - 4 4a n d 一2 8 0 , - , - 3 2 0 m v , 4 4 8a n d 一2 0 0 - - - 2 4 0 m v , 5 2 - 5 6a n d 一18 0 一2 1 0 m v , r e s p e c t i v e l y t h em a x i m u ms p e c i f i ch y d r o g e np r o d u c t i o nr a t eo ft h ea n a e r o b i cs l u d g ef e r m e n t a t i o n s y s t e mr e a c h e d4 9 2m o l k gm i x e dl i q u i dv o l a t i l es u s p e n d e ds o l i d ( m l v s s ) d a y , ( m o l k g m l v s s 叫d - 1 ) ，i ne t h a n o l t y p ef e r m e n t a t i o n t h ea v e r a g es p e c i f i ch y d r o g e np r o d u c t i o nr a t eo f t h ea n a e r o b i cs l u d g ef e r m e n t a t i o ns y s t e mr e a c h e d3 9 0m o l k gm l v s s 叫d - 1 ，i ne t h a n o l t y p e f e r m e n t a t i o n , w h i l e1 2 8t o o l k gm l v s s l d - 1i nb u t y r i ca c i d - t y p ef e r m e n t a t i o n , a n d0 0 2 m o i k gm l v s s 叫d _ 1i np r o p i o n i ca c i d t y p ef e r m e n t a t i o n t h eh y d r o g e np r o d u c t i o nc a p a b i l i t y o fa n a e r o b i ca c t i v a t e ds l u d g ei ne t h a n o l t y p ef e r m e n t a t i o nw a s3t i m e sg r e a t e rt h a nt h a to f b u t y r i ca c i d t y p ef e r m e n t a t i o na n d 19 0t i m e st h a to fp r o p i o n i ca c i d - t y p ef e r m e n t a t i o n i t i n d i c a t e dt h a te t h a n o l t y p ef e r m e n t a t i o nb a c t e r i ah a v et h el a r g e s th 2 - p r o d u c t i o nc a p a b i l i t y , b u t y r i ca c i dt y p ef e r m e n t a t i o nb a c t e r i at a k et h es e c o n dp l a c e ，a n dp r o p i o n i ca c i d t y p e f e r m e n t a t i o nb a c t e r i ah a v et h el e a s th 2 - p o d u c t i o nc a p a b i l i t y t h ee f f e c to fo r g a n i cl o a d i n gr a t eo no p e r a t i o no fc o n t i n u o u sf l o wa n a e r o b i ca c t i v a t e d s l u d g ef e r m e n t a t i o ns y s t e mf o rh y d r o g e np r o d u c t i o nw a so b v i o u s l y a ts o m er a n g e ，h y d r o g e n p r o d u c t i o ni n c r e a s e d 、历t 1 1t h er a i s eo fo l r , w h i l e t o ol a r g eo fo l rw e n ta g a i n s tt oh y d r o g e n p r o d u c t i o n w h e ni n f l u e n tc o d c o n c e n t r a t i o nr o s et o6 0 0 0m g lw i t hh r to f6 h ( o l r2 4k g ( m j d ) ) ，也ea n a e r o b i ca c t i v a t e ds l u d g ef e r m e n t a t i o ns y s t e mr e a c h e dt h em a x i m u mh y d r o g e n p r o d u c t i o no f 17 8 l d w i t ho l ro f 扣2 4 埏( m 。d ) ，t h et o t a la m o u n to fe t h a n o la n da c e t i c a c i dw a sa c c o u n t e df o ra b o v e8 5 o ft h et o t a ll i q u i dp r o d u c t s ，i n d i c a t i n gt h a te t h a n o l t y p e i a b s t r a c t i i i f e r m e n t a t i o no c c u r r e di nt h ec s t r a tt h i ss t a b l es t a t e ，c o n t i n u o u sf l o wa n a e r o b i ca c t i v a t e d s l u d g eh a dh i g ha c t i v i t yw i t hm l v s s m l s so fa b o v e8 0 h y d r o g e np r o d u c t i o ni n c r e a s e d w i t ht h er a i s eo fo l l lw h e no l rr e a c h e d3 6k g ( m 。d ) ，t l l eo r g a n i cw a s t e w a t e rf e r m e n t a t i o n t y p ec h a n g e df r o me t h a n o l - t y p ef e r m e n t a t i o nt om i x e da c i d sf e r m e n t a t i o n , t h ea c t i v i t yo f m i c r o o r g a n i s mi na n a e r o b i ca c t i v a t e ds l u d g ew a si n h i b i t e da n dh y d r o g e np r o d u c t i o nd e c l i n e d f a s t o l ra l s oh a de f f e c to nt h ee n v i r o n m e n ti nt h er e a c t o r ( p h ，a l ko r p ) ，t h ea c t i v i t y , a m o u n ta n dm e t a b o l i z ec h a r a c t e ro fm i c r o o r g a n i s mi na n a e r o b i ca c t i v a t e ds l u d g e a l lo ft h e a b o v ef a c t o r sd e t e r m i n e dt h er u ns t a t e ，f e r m e n t a t i o n 够p ea n dh y d r o g e np r o d u c t i o nc a p a b i l i t y o fc o n t i n u o u sf l o wa n a e r o b i ca c t i v a t e ds l u d g ef e r m e n t a t i o ns y s t e mt o g e t h e r k e y w o r d s a n a e r o b i c f e r m e n t a t i o n ；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 ；h y d r o g e n p r o d u c t i o nc a p a b i l i t y ；o r g a n i cl o a d i n gr a t e i 绪论 1 绪论 1 1 概述 随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，我国能源消费总量也迅速增加。 目前，我国是世界第二大能源和石油消费国，第三大能源生产国。从目前的能源结构 看，在商品能源中，有9 5 是包括煤炭、石油和天然气在内的化石能源【。由于我国人 均常规能源资源的相对不足，尤其是石油和天然气等一次能源的对外依赖性过大，以及 电力供应的全年性缺乏，能源问题已经成为我国经济、社会可持续发展的一个限制性因 素。如果无法妥善解决这些问题，我国将面临着相当严峻的能源形势。化石能源的使用 在促进世界经济发展的同时也带来了严重的环境问题，由化石能源过度使用所带来的全 球气候变化、酸雨、臭氧层破坏、荒漠化加剧、生物多样性减少已占据2 l 世纪世界所 面临的十大主要问题中的5 个【2 】。化石能源开发利用过程中引起的环境问题，严重制约 着可持续发展。 温室效应和酸雨等环境问题的出现会导致人类迫切地需要开发清洁的可再生能源。 高效、清洁的二次能源的开发正在成为人类研究的热点课题，很多国家都在加紧对太阳 能、生物质能、氢能、海洋能和地热能等替代能源的开发和利用。 在诸多的新型替代能源中，氢能被认为是最具有吸引力的替代能源。氢气作为一种 新型的能源具有许多优越性：氢是宇宙间最简单同时也是储量最丰富的元素；氢能是一 种十分清洁的能源，氢在燃烧和使用过程中只生成水，不产生任何污染物，甚至也不产 生c 0 2 ，可达到污染的“零排放”，是由于氢的这种清洁特性，它又被人们称为“清洁能 源”和“绿色能源”：氢的利用率高，氢在动力转换的过程中热效率比常规的化石燃料 3 0 - - 6 0 ；氢的能量密度高，是汽油的2 6 8 倍；氢气能够出存在一些特殊的金属化合 物或纳米材料中，贮存方便；氢的输送性能良好，在输送各种能源时，以相同的热量计 算，氢的输送成本最低，损失最小，优于输电【3 j ；氢与燃料电池相结合可提供一种高 效、清洁、无传动部件、无噪声的新型发电技术。总之，氢气由于其清洁、高效、可再 生、资源丰富、便于贮存和运输方便等突出优点而在能源界倍受青睐，被认为是2 l 世 纪能源体系的重要支柱。在未来的世界能源系统中，氢能将发挥着举足轻重的作用 h ，5 jo 主要的制氢方法包括物理化学方法和生物方法。由于自然界中的大部分氢是以化合 态形式存在的，所以氢气的生产需要从其它化合物中分离获得。目前人们采用的主要制 氢方法有5 种：水电解法：它将水电解为氢和氧，但是在电解的过程中8 5 的电能被 白自地浪费掉了，只有1 5 的电能体现在氢能上。目前有4 的氢气来源于电解法【6 】。 热化学法：过高温热解制氢，需要在3 0 0 0 c 的高温下使水发生热化学反应，生成氢气 和氧气。虽然经过科技人员的改进使热解温度降低到了1 0 0 0 c ，但是该法仍耗能较大。 东北林业人学硕上学位论文 光电化学法：将半导体材料和电解质溶液组成光电化学电池，在阳光照射下制氢。 等离子化学法：将石油、天然气、煤与水蒸气反应生成水煤气，然后将水煤气和水蒸气 一同通过灼热的氧化铁( 催化剂) 生成二氧化碳和氢气，经过气体分离即可得到氢。目前 世界生产的氢气，9 6 是由天然的碳氢化合物一天然气、煤、石油产品中提取的。生 物制氢法：通过发酵或光合微生物的作用，将有机质分解获得氢气【7 1 。 由于前四种方法主要采用物理和化学方法来制取氢气，主要消耗大量不可再生的矿 物资源或电力i s ，造成生产成本普遍较高，而且在生产过程中产生的污染物对地球环境 会造成破坏，已不能适应社会发展的需求：生物制氢作为生物自身新陈代谢的结果，生 成氢气的反应可以在常温、常压的温和条件下进行，同时生物制氢可采用工农业废弃物 和各种工业污水为原料，原料成本低，可以实现废物利用和能源供给与环境保护多重目 标而倍受重视1 9 , 1 0 j 。 生物制氢技术主要分为光合法生物制氢和发酵法生物制氢两大类。与光合法生物制 氢相比，发酵法进行生物制氢技术具有下列优越性：发酵法生物制氢技术的产氢稳定 性好。发酵产氢细菌的产氢能力较高。发酵细菌的生长速率快。制氢成本较低。 1 2 发酵法生物制氢的研究现状 1 2 1 发酵法生物制氢的主要类型及产氢机理 目前，发酵制氢主要包括丁酸型发酵制氢、丙酸型发酵制氢【l l 】、乙醇型发酵制氢 1 2 1 和混合酸型发酵制氢四种发酵类型。 ( 1 ) 丁酸型发酵制氢 产氢途径以丁酸型发酵途径进行产氢的典型微生物主要有：梭状芽孢杆菌属 ( c l o s t r i d i u m ) 、丁酸弧菌属( b u 2 t y d v i b r i o ) 等【1 3 】。在发酵过程中的末端产物主要是丁酸、 乙酸、h 2 、c 0 2 和少量丙酸。许多可溶性的碳水化合物( 如葡萄糖、蔗糖、淀粉等) 主要 是以丁酸型发酵为主。这些物质在严格的厌氧细菌或兼性厌氧菌的作用下，经过三羧酸 循环形成丙酮酸，丙酮酸在丙酮酸铁氧还蛋白氧化还原酶催化作用下脱酸，羟乙基结合 到酶的t p p ( 焦磷酸硫胺素) 上，生成乙酰辅酶a ，脱下的氢使铁氧还蛋白还原，而还原 型铁氧还蛋白在氢化酶的作用下被还原的同时释放出h 2 【1 4 , 1 5 】。 ( 2 ) 丙酸型发酵制氢 许多含氮有机化合物( 如酵母膏、明胶、肉膏等) 的酸性发酵往往发生丙酸型发酵， 难降解碳水化合物如纤维素，在厌氧发酵过程也常呈现丙酸型发酵。丙酸型发酵细菌主 要有丙酸杆菌属( p r o p i o n i b a c t e r i u m ) 。在发酵过程中，经e m p 途径产生的n a d h + h + 通 过与一定比例的丙酸、丁酸、乙醇和乳酸等发酵过程相耦联而氧化为n a d + ，来保证代 谢过程中的n a d h n a d + 的平衡。为了避免n a d h + 矿的积累而保证代谢的正常进行， 发酵细菌可以通过释放h 2 的方式将过量的n a d h + 矿氧化：n a d h + h + - n a d + + h 2 该 反应是在n a d h 铁氧还蛋白氧化还原酶、铁氧还蛋白氢化酶作用下完成的【1 6 】。其末端 产物是丙酸和乙酸，气体产物非常少，一些学者把这种发酵制氢称作为丙酸型发酵制氢 1 绪论 【1 7 l 引。 ( 3 ) 乙醇型发酵制氢 乙醇型发酵制氢是最近几年发现的一种新型制氢方法。这一发酵类型的优势种群目 前不清楚，推测可能与细菌乙醇发酵种群有关。这种方法不同于经典的微生物代谢过程 中乙醇发酵。而经典的乙醇发酵是碳水化合物经糖酵解生成丙酮酸，而丙酮酸经乙醛生 成乙醇的过程。在次过程中，发酵产物为乙醇和c 0 2 ，无氢气产生。任南琪教授在利用 有机废水进行产酸发酵过程中发现的新型制氢方法。其末端产物主要是乙醇、乙酸、 c 0 2 、h 2 和少量丁酸。乙醇型发酵制氢的途径主要是葡萄糖经糖酵解后形成丙酮酸，在 经丙酮酸脱酸酶的作用下，以焦磷酸硫胺素为辅酶，脱羧变成乙醛，继而在醇脱氢酶作 用下形成乙醇。在这个过程中还原型铁氧还蛋白在氢化酶的作用下被还原的同时释放出 h 2 1 啦! 1 。 ( 4 ) 混合酸型发酵制氢 有人认为还存在一种混合酸型发酵，即发酵产物除乙酸还有两种或两种以上优势液 相产物，或者没有显著特征可以确定为以上三种发酵类型。该类发酵类型优势种群可能 为混合酸发酵细菌，也可能为其它发酵细菌多种优势种群并存。混合酸型发酵群落缺乏 稳定性，多种优势种群在竞争的作用下，群落会逐渐演替，最后形成稳定的群落。 1 2 2 发酵法生物制氢工程控制参数的研究 ( 1 ) 温度 厌氧过程比好氧过程对温度更为敏感。温度主要是通过对酶活性的影响而影响反应 器中微生物的生长与代谢，从而影响到有机物的处理效率和氢气的产量。发酵产氢过程 中，温度可直接对氢气的产量、产氢系统的稳定性产生影响 2 2 , 2 引。当温度调节在 3 5 3 8 。c 范围时，反应器中的厌氧活性污泥和微生物菌群具有最高的发酵与繁殖速度， 其有机物酸化率及产气率达到最大。但温度对发酵末端产物的组成影响不大【2 + 啪l 。 ( 2 ) p h 值 p h 值对氢化酶活性及代谢途径影响很大，是最关键的操作条件之一【2 7 渊。已报道 的最佳p h 值相差较大，l e e 等【2 9 l 报道蔗糖间歇发酵的最佳p h 值为9 0 ，而任南琪等 【3 0 1 用蔗糖、l a y t 3 1 1 用淀粉进行连续发酵的最佳p h 值分别为4 0 一- 4 5 和4 7 - - 5 7 。 h w a n g 等【3 2 1 用葡萄糖间歇发酵p h 值为5 0 时达到最大产气量。k h a n a l 等跚用蔗糖和 淀粉进行间歇发酵，产气量均在p h 值5 5 5 7 时最大，分别为2 1 4 0m l ( h 2 ) g ( c o d ) 和1 2 5 0m l ( h 2 ) g ( c o d ) 。总的来说，p h 值必须在酸性范围以抑制产甲烷菌等氢营养菌 的生长，但不能低于4 。 ( 3 ) 氧化还原电位( o i 冲) 厌氧微生物的生存要求较低的氧化还原电位( o r p ) ，这样才能保持脱氢酶系的活 性。其影响因素很多，包括：氧分压的影响，代谢物质的影响和p h 值的影响。降低发 酵体系中的o r p 可以采取加入还原剂如维生素c ，h 2 s 等方法；如果要提高o r p ，则 东北林q k 人学硕i 学位论文 可以通入空气，提高氧的分压p 训。 ( 4 ) 碱度( a l k ) 当反应器内有充足的碳酸氢盐碱度存在时，将会有以下反应发生( 以乙酸代表 v f a ) ： c h 3 c o o h + h c 0 3 。- - - c h 3 c o o 。+ c 0 2 + h 2 0 可见当所有碳酸氢盐碱度被形成的v f a 中和后，p h 值即会剧烈降低。所以，为了 增加系统的稳定性，特别是在高有机负荷运行条件下，对进水碱度进行适当的调节是十 分必要的。试验结果表明，在高有机负荷运行条件下，进水碱度( 以c a c 0 3 计) 应大于 3 0 0 m g l ，则可保证p h 值为4 0 - 4 5 ；当进水碱度小于3 0 0 m g l 时，系统p h 值有可能 降至4 0 以下，使微生物代谢活性迅速下降，发酵产氢作用将受到极大限制。 调节进水碱度可采用投加n a h c 0 3 、n a o h 、n a 2 c 0 3 和石灰等方法。 ( 5 ) 水力停留时间( h i 盯) 有机物在反应器中的水力停留时间直接制约着微生物的代谢过程，停留时间过短， 产酸发酵过程进行得不充分；停留时间过长，会影响反应器效能的发挥。试验运行中可 观察到出水中有大量细菌絮体流出，这会导致反应器产氢量的下降。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i f i ( h r t ) 维持在“h 较为适宜。 ( 6 ) 搅拌速率 搅拌速率对反应速率影响较大，它不但影响混合液的流动状况，决定微生物与底物 的接触机会，而且对代谢速率、气体释放速率及生物发酵途径都有较大影响。李建政【3 5 1 认为搅拌器在转速为6 0r m i n 时，反应器内的污泥絮体能够完全悬浮，且在h r t 不小 于5h 的条件下，其污泥持有量能够保持较高水平( 2 0g m l v s s l ) 。 1 2 3 国内外相关研究现状及发展趋势 ( 1 ) 菌种选育 国内外研究者分离了大量的产氢发酵细菌以期获得高效产氢发酵细菌，其中以梭菌 属和肠杆菌属居岁3 “3 9 1 。l e e n ab k a m a l a s k a r 等t , o j 分离出了一株高效产氢细菌，其最大 产氢量可达3 3 5 m o lh 2 t o o lg l u c o s e 。x i a o y iw a n g 【4 lj 研究了一株新分离的丁酸梭菌w 5 利用糖蜜进行生物制氢的工艺优化，以此菌株进行产氢实验时，获得最大产氢量为1 8 5 t o o lh 2 t o o lh e x o s e ，其相应的产氢速率为17 3 8m m o l h l c u l t u r e 。任南琪等【4 2 】利用紫外 线诱变获得一株高效产氢突变菌株u v - d 4 8 ，其单位体积产氢量和最大产氢速率比对照 菌株分别提高了6 5 1 和5 6 4 1 其氢气产率是对照菌株的1 5 4 倍。 ( 2 ) 连续流厌氧发酵制氢 任南琪等【4 3 】采用连续流搅拌槽式反应器( c s 同，利用厌氧活性污泥，在制糖废水 产酸发酵过程的同时制取氢气。探讨了生物制氢反应器连续流稳定运行的工程控制参 数。研究表明，在污泥接种量为1 5 l 、温度为3 5 士l 、c o d 容积负荷为4 0 k g ( m 3 d ) 、h r t 为4 h 、系统p h 、氧化还原电位( o r p ) 分别在4 6 4 9 、4 5 0 4 7 0 m v l 绪论 等条件下，可以实现连续流生物制氢反应系统乙醇型发酵的高效稳定运行。此时，液相 末端发酵产物中乙醇和乙酸的含量占挥发酸总含量的8 0 以上，c o d 去除率2 2 2 6 ，气相中的氢气含量约为4 0 5 8 ，最大产氢能力为7 1 6 3 m 3 ( m 3 d ) 。 宫曼丽等m 】采用连续流搅拌槽式反应器( c s t r ) ，利用厌氧活性污泥以糖蜜废水为 底物发酵产氢，探讨了丁酸型发酵生物制氢反应器稳定运行的工程控制参数，并运用变 性梯度凝胶电泳技术对微生物菌群结构稳定性进行了分析。研究表明，在污泥接种量 ( s s ) 为1 5g l 一、温度为( 3 5 士1 ) 、容积负荷为4 0 蚝m 3 d 一、水力停留时间( h r t ) 为4h 条件下，可以获得c s t r 丁酸型发酵的最大产氢速率2 3 7m 3 ( m 3 0 ，气相中 的氢气含量在3 0 4 0 之间。 宫曼丽等1 4 5 】研究表明：由不同启动负荷( 3 0 、7 0 、1 0 0k g c o d m 3 d ) 条件下形成的 乙醇型发酵菌群，在相同的运行条件下其产氢能力存在着差异。当系统容积负荷为 3 0 k g c o d m 3 d 时， 由启动负荷为7 0k g c o d m 3 d 条件下驯化形成的乙醇型发酵菌 群比由启动负荷为3 0k g c o d m 3 d 条件下驯化形成的乙醇型发酵菌群产氢能力高 5 6 。 h i s h a m l 4 6 】等利用设计的一体式连续流搅拌槽式反应器与重力自沉降反应器( i b r c s ) 研究了不同有机负荷对生物制氢的影响，在h r t 为8 h ，o l r 为1 0 3 9 c o d l d 时，获得 最大产氢量2 8m o lh 2 m o lg l u c o s e 。 ( 3 ) 发展趋势与应用前景 如何方便快速地从自然界获得产氢效率高的混合微生物群以及如何利用农业生产中 废弃的生物质如谷壳、秸秆、玉米轴、甘蔗渣等厌氧发酵产生氢气。主要有以下几方 面： 高产菌株的选育。需要加强多种方式筛选和基因工程改良等方面的研究，建立一 个快速选育高效产氢细菌的模式，利用诱变或分子生物学手段获得具有特殊功能的产氢 菌株。 探索菌种和菌群的产氢适宜条件。系统研究影响厌氧产氢微生物的限制因素，选 择最佳产氢工艺，提供适宜产氢菌产氢的生态位，以达到高产、稳定和持续产氢。 维持混合微生态体系的稳定高产。生物制氢技术要达到工业上的发展其所利用的 底物将会是一个十分复杂的混合体，利用单一菌种的处理将很难达到实际应用的要求， 因此，采用混合菌种固定化技术处理底物发酵产氢具有广阔的前景 4 7 1 ，在传统工艺技术 基础上渗入现代生物学技术。 1 3 课题来源与主要研究内容 1 3 1 课题来源 本研究课题来源于东北林业大学研究生论文资助项目( n e f u g r a m 0 9 ) 。 东北林q k 人学硕上学位论文 1 3 2 主要研究内容 本文利用活性污泥中厌氧微生物，采用c s t r 反应器，以甜菜厂的蔗糖残液为底物 进行连续试验研究，考察了乙醇型、丙酸型、丁酸型这三种发酵类型的运行特征和产氢 情况，对不同发酵类型产氢能力进行对比分析；研究分析了有机负荷o l r 对乙醇型发 酵产氢系统的影响。本文的具体研究内容如下： ( 1 ) 不同发酵类型生物制氢系统的运行特征 以糖渣废水为底物，进行了连续厌氧发酵生物制氢的试验研究，通过调控p h 值和 o r p 等工程控制参数使反应器分别达到乙醇型发酵、丁酸型发酵和丙酸型发酵。考察了 3 种不同发酵类型稳定运行时生物制氢系统的生态位范围和运行特征。 ( 2 ) 不同产酸发酵菌群产氢能力的比较 对3 种发酵菌群的产氢能力进行对比研究，对于工程中选择和控制发酵生物制氢反 应器的最佳发酵类型，提高发酵生物制氢生产工艺的产氢能力，降低生物制氢成本，均 具有非常重要的意义。 ( 3 ) o l r 对c s t r 生物制氢系统的影响 在c s t r 生物制氢系统处于乙醇型发酵的基础上，通过提高进水c o d 和降低h r t 两种办法来改变有机负荷o l r ，研究分析o l r 的改变对生物制氢系统产氢速率、生物 量、生物活性、微生物代谢特征、系统内环境p h 值、a l k 和o r p 的影响。 2 实验材料与方法 2 1 实验装置与材料 2 实验材料与方法 2 1 1 实验装置 试验采用连续流搅拌槽式反应器( c s t r ) ，模型反应器总容积2 2 0 l ，有效容积为 9 6 l 。采用计量泵将原水从进水箱泵入反应器内，通过调节计量泵的流量以保证系统进 水恒定。整个反应器采用外缠电热丝加热方式。试验装置系统见图2 1 。 。 1 进水箱2 进水流量泵3 反应器4 搅拌器5 气体流量计6 水封 图2 - 1c s t r 反应器结构示意图 2 1 2 接种污泥 本试验中厌氧发酵生物制氢反应器采用的污泥来自哈尔滨文昌污水处理厂，经过 滤、沉淀、淘洗后，室温下进行曝气培养两周后，作为种泥置入生物制氢反应器。 2 1 3 实验底物 连续流厌氧发酵生物制氢系统的底物采用甜菜制糖工业副产物糖蜜( 含糖分 4 5 5 8 ) 加水稀释配制而成。在使用废糖蜜配置进水的过程中，加入少量的n 、p ， 使进水的c o d ：n ：阻l o o o ：5 ：1 。 2 2 分析项目与方法 试验中的主要分析项目与方法列于表2 1 中，具体的方法见参考文献。 表2 - 1 分析项目与分析方法 采用国家标准方法【4 8 1 测定c o d 、m l s s 、m l v s s ；采用p h s 2 5 型酸度讨坝0 量p h 东北林q k 大学硕上学位论文 和o r p ；用l m l 1 型湿式气体流量计计量发酵气体产量。 2 2 1 氢气含量的测定 发酵气体组分及含量采用g c 7 8 9 0i i 型气相色谱仪进行分析测定，柱长2 m ，担体 p o r a p a kq ，5 0 8 0 目，热导池检测器( t c d ) ，氮气( 9 9 9 9 ) 作为载气，流速为2 0 m l m i n 1 ，用1m l 注射器抽气进样。 2 2 2 液相发酵产物的测定 液相发酵产物组分及含量采用g c 7 8 9 0i i 型气相色谱仪进行测定，柱长2 m ，担体 g d x l 0 3 ，6 0 8 0 目，氢火焰检测器( f i d ) ，氮气作为载气，流速为3 0 m l m i n l ，氢气流 速为3 0 m l m i n 1 ，空气流速为4 9 0 m l m i n 1 ，柱温1 9 0 。c ，汽化室温度和检测室温度 2 2 0 。 3 不同发酵类型的运行特征 3 不同发酵类型的运行特征 3 1 反应器启动 厌氧发酵生物制氢反应器的启动过程就是厌氧污泥的培养过程，厌氧生物制氢反 应器成功启动的标志是在反应器中短期培养出活性高、沉降性能优良并能高效产氢的厌 氧污泥。 本实验将驯化培养后的活性污泥接种到连续流槽式搅拌反应器( c s t r ) 中，接种 生物量为1 3 5 5 9m l v s s l ，m l v s s m l s s 为0 6 2 ，水力停留时间( h r t ) 为6h ，进 水c o d 浓度为5 0 0 0m g l ，温度控制在3 5 士1 。未对进水进行人工调节。 生物制氢系统经过启动运行3 4 天后，通过控制限制性生态因子p h 值和监测氧化还 原电位( 0 r p ) 的方法【4 9 ，5 0 1 ，使反应器中的厌氧活性污泥发生微生物菌群的演替，并控制 达到特定的发酵类型，每种发酵类型稳定运行两周以上，再调节至其它发酵类型。其它 参数在不同的运行时期保持一致性，以便对不同发酵菌群的产氢能力进行比较研究。 3 2 乙醇型发酵的运行特征 3 2 1 运行阶段p h 的变化 运行阶段反应器p h 值的变化如图3 一l 所示。启动阶段，随着接种污泥中的厌氧菌 逐步适应环境并利用进水中的有机物产酸发酵，产生的挥发酸积累导致出水p h 值出现 下降，在第1 2 天时仅为4 1 ，后来逐步稳定回升，乙醇型发酵菌群逐步占据优势，出水 呈现稳定状态，稳定运行阶段，出水p h 值稳定在4 2 4 4 范围内。乙醇型发酵液相末端 产物主要为乙醇，乙醇的积累不会造成系统内环境的酸化。 7 6 5 j 四 6 z 95 5 o 丑 5 捌4 5 4 3 5 3 l81 62 43 24 04 8 时间( d ) 图3 一l 运行阶段p h 值的变化 东北林q k 大学硕上学位论文 3 2 2 运行阶段o r p 的变化 图3 2 反映了反应器运行期间o r p 的变化规律，启动的第2 天，o r p 由最初的 1 0 0 m v 迅速降至- 4 2 0 m v ，这是因为接种之后，活性污泥的环境由原来的有氧态变成密 封状态。反应器运行初期o r p 有较大波动，因为不同的菌群有自己适宜生存的o r p 值，o r p 的波动反应了反应器内优势菌群的演替变化。反应器运行至第3 2 天后，o r p 基本稳定在2 8 0 m v - - 3 2 0 m v 之间。 2 0 0 1 0 0 0 兮一l o o 昌 - 2 0 0 o - 3 0 0 - 4 0 0 - 5 0 0 l81 62 43 23 84 24 6 时间( d ) 图3 2 运行阶段o r p 的变化 3 2 3 运行阶段液相末端产物分析 通过气相色谱对c s t r 生物制氢系统的液相末端产物组分和含量进行监测分析，从 表3 1 中可以看出，生物制氢系统在启动直至稳定运行阶段的4 8 天内，液相末端产物 总量呈现出先上升后下降并逐步稳定的趋势，由最初的1 6 7 7 7m g l 上升至2 2 0 2 9m g l 后又回落并稳定在1 8 0 0m g l 左右。启动阶段，接种污泥适应环境并开始利用有机底物 进行产酸发酵，2 8 天之前的启动阶段，各种有机酸的含量比较均衡，没有明显的优势菌 群，为混合酸发酵阶段。随着乙醇型发酵菌群逐渐富集并占据优势，丙酸、丁酸、戊酸 的含量快速下降，乙醇和乙酸的含量逐步上升并占主导地位。各种有机酸含量的波动反 应了反应器内优势菌群的演替变化。乙醇含量最初仅为8 2 6m g l ，稳定运行阶段则在 7 4 0m g l 左右。乙酸含量由最初的4 9 6 5m g l 上升至稳定阶段的8 0 0m g l 左右。乙醇 和乙酸总含量在液相末端产物总量的比例由最初的3 4 5 上升至稳定运行阶段8 2 9 。 3 4 天至4 8 天的稳定运行阶段，乙醇和乙酸总含量在液相末端产物总量的比例始终在 8 0 以上，说明此运行阶段，活性污泥发酵系统处于典型的乙醇型发酵阶段。 表3 一l 运行阶段液相末端产物分析 3 2 4 稳定运行阶段气相组分的变化 经过启动运行3 4 天后，反应区p h 逐渐稳定在4 2 4 4 之间，氧化还原电位( o i 冲) 范围为2 8 0 - 3 2 0 m v ，通过气相色谱对c s t r 生物制氢系统的气相组分和含量进行监测 分析，生物气组分主要有h 2 和c 0 2 ，图3 3 反映了稳定运行阶段的产气和产氢情况。 6 0 5 0 勺 ) 4 0 簧3 0 挈2 0 钆 1 0 0 时间( d ) 6 0 5 0 4 0 考 咖 3 0 知 求 妞 2 0 扩 蛹 1 0 0 图3 3 乙醇型发酵稳定运行阶段的产气情况 稳定运行期间，乙醇型发酵的产气速率在2 5 l d 4 l 圳范围内波动，第3 8 天产气 速率达到最大值4 0 2 l d ，运行稳定阶段产气速率的平均值为3 2 l d 。氢气的百分含量一 直比较稳定，没有明显波动，并且维持在较高水平，最大值为4 8 6 ，平均值为 4 6 8 。产氢速率在11 l d - 2 0 l d 范围内波动，第3 8 天产氢速率达到最大值1 9 5 4 l d ， 运行稳定阶段产氢速率的平均值为1 5 0 7 l d 。可见，乙醇型发酵系统呈现出良好的运行 状态和较高的产氢能力。 东北林业大学硕1 j 学位论文 3 2 5p h 值对产氢速率的影响 从图3 4 可以看出，p h 值对产氢速率有较大影响。随着p h 值由5 4 降至4 1 ，产 氢速率呈现出先上升后降低的变化趋势。p h 值在4 2 4 4 范围内时，产氢速率较高，在 1 2 l d 以上。当p h 值高于4 4 或者低于4 1 时，产氢速率均较低。可见，p h 值为 4 2 - - 4 4 时，是乙醇型发酵菌群的适宜生长范围，其活性较强，生物制氢系统处于乙醇 型发酵阶段且呈现良好的产氢状态。 它 0 得 淄 蛹 钆 2 0 1 6 1 2 5 454 44 3 84 34 2 24 24 1 54 1 出水p h 值 图3 - 4p h 值对产氢速率的影响 3 - 2 - 6p h 值对液相末端产物的影响 图3 - 5 反映了p h 值对液相末端产物的影响。可以看出，随着p h 值由5 4 降至 4 2 ，乙醇和乙酸呈现出逐步上升并稳定的趋势，稳定阶段其含量均在7 8 0 m g l 左右， 丙酸、丁酸和戊酸则呈现出下降趋势，稳定阶段其含量均在2 0 0 m g l 以下。p h 值在 4 2 4 4 范围内时，产酸相中乙醇型发酵菌种占主导地位，活性污泥系统进行乙醇型发 酵，液相末端产物中乙醇和乙酸含量较高，其它三种酸含量很低。 3 不同发酵类型的运行特征 ，、 - j 凹 5 世 蠖 霉 程 碧 书 罂 艇 1 0 0 0 p 啦 图3 - 5p h 值液相末端产物的影响 3 3 丁酸型发酵的运行特征 3 3 - 1 运行阶段p h 的变化 乙醇型发酵阶段末期，向进水中添加适量的n a h c 0 3 使进水p h 值保持在6 0 - , 7 0 范围内，并根据出水p h 值和气相、液相末端产物监测情况适当调整添加量。运行阶段 反应器p h 值的变化如图3 - 6 所示。 8 7 5 7 趔 暑6 5 长 钼 6 翅5 5 5 4 5 4 591 31 72 1 时间( d ) 图3 - 6 丁酸型发酵运行阶段p h 值的变化 调整运行阶段，由于进水碱度突然增大，反应器内p h 等运行环境的变化，使得生 物制氢系统内微生物受到冲击，产酸发酵受影响，出水p h 值升高，而后出水p h 值又 呈现出上下波动，反映了系统内不同发酵菌群的竞争和演替。第8 天以后，活性污泥系 o