（环境科学专业论文）糖蜜度水制氢系统的调控及其生物强化.pdf

摘要 生物制氢系统运行初期的比产氢速率可以通过高效产氢菌的生物强化作用得到显著 提高。生物制氢系统的比产氢速率在3 次生物强化后从3 5m m o l ( k g d ) 提高到5 2 m m o v ( k g 。d ) 。 i 关键词：活性污泥；h r t ；o l r ；生物制氢：生物强化 a b s t r a c t a b s t r a c t h u m a ns u r v i v a la n dd e v e l o p m e n ta r ei n s e p a r a b l ef r o mt h ee n e r g y e n e r g ys h o r t a g e sh a v e b e c o m et h ep r o b l e mo ft h ei n t e r n a t i o n a lc o m m u n i t yn e e dt ob er e s o l v e d h y d r o g e ni sc l e a n ， e f f i c i e n t ，r e n e w a b l ee n e r g y ，b u ta l s oi so n ea ni d e a ls u b s t i t u t ef o rf o s s i lf u e l s i ti sc o n s i d e r e d t h em o s tp o t e n t i a le n e r g y2 1s tc e n t u r y ，t h ee n e r g ys e c t o rh a sb e c o m et h ef o c u so fa t t e n 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 nr e c o v e re n e r g ya n dc l e a ne n v i r o n m e n tw i t ht h ed u a le f f e c t 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 nt e c h n o l o g yi n d u s t r yi sak e yf a c t o rt of u r t h e ri m p r o v et h e h y d r o g e np r o d u c t i o nc a p a c i t y ，r e d u c ep r o d u c t i o nc o s t si n t h er e a c t o rs y s t e m h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) i sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rw h i c hr e s u l t o fa n a e r o b i c h y d r o g e np r o d u c t i o np r o c e s s 1 1 1 i sp a p e re x a m i n e st h eh r t i nt h er a n g eo f2 _ 12hw h e n c h a n g e si nt h eh y d r o g e np r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo fc s t r t h er e s u l t ss h o w t h a th y d r o g e n p r o d u c t i o ni nt h eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ef r o m12h o u r s t o8h o u r so fd i m i n i s h i n g ，t h ep r e s e n t g r o w t hs l o w l y w h e nh r t i s8h o u r s ，t h em a x i m u mh y d r o g e np r o d u c t i o nv a l u ei s7 9 2l d ， t s d et o9 5 c o dr e m o v a lr a t er e a c h e d2 5 a tt h i sr e s i d e n c et i m en o to n l yt om e e tt h e n e e d so fm i c r o b i a lm e t a b o l i s m , b u ta l s o t oe n s u r eac o n t i n u o u sb i o - h y d r o g e np r o d u c t i o n w h e nt h eh r tw a s8h ，t h es y s t e me t h a n o l t y p ef e r m e n t a t i o n i st h em a i nm e t a b o l i c f e r m e n t a t i o nt y p e t o t a ll i q u i de n do ft h ef e r m e n t a t i o np r o d u c ti s2 9 8 6m g l ，e t h a n o la n d a c e t i ca c i df e r m e n t a t i o np r o d u c ti s8 5 i nt h ee n do ft h ep e r c e n t a g ec o n t e n t w h e nt h er e a c t o rh r td e c r e a s e df r o m12ht o 10h ，t h er e a c t o rb i o m a s si n c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y h r ti s1 0hw h e nt i m e sa r es t a b l ea t1 2 8gv s s l i nt h eh r t w a s8h ，w h e n t h er e a c t o rr e a c h e dt h eh i g h e s tb i o m a s so fs u 伍c i e n tb i o m a s sa n db i o l o g i c a la c t i v i t y o f h y d r o g e np r o d u c t i o nw i t hh i g he f f e c t t h e r e f o r e ，t h er e a c t i o ns y s t e mt om a i n t a i nm o r ea n d h i g h e rm i c r o b i a la c t i v i t yo fm i c r o b i a lb i o m a s s ，a n a e r o b i cf 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 n s y s t e mi sc r i t i c a lt oe n s u r ea ne f f i c i e n th y d r o g e np r o d u c t i o n s y s t e mo f a n a e r o b i cm e t a b o l i s m o fa c t i v a t e ds l u d g em i c r o b i a lc o m m u n i t yc a na f f e c tt h ef e r m e n t a t i o ns l u d g es y s t e m r e m a i nu n c h a n g e du n d e rh r t8h ，i na c e r t a i nr a n g e ，i n c r e a s e do l rc o u l di m p r o v et h e h y d r o g e np r o d u c t i o na n a e r o b i cs l u d g eh y d r o g e np r o d u c t i o ns y s t e ms i g n i f i c a n t l y h y d r o g e n p r o d u c t i o na n a e r o b i cs l u d g es y s t e mi nt h eo l r 18k g ( m d ) t h ea v e r a g et i m et oa c h i e v e s t a b l eh y d r o g e np r o d u c t i o nc a p a c i t yo f7 9 2l d ，c o m p a r e dw i t ho l r1 2k g ( m j d ) c o n d i t i o n s ( 5 9 4l d ) i n c r e a s e db y2 5 ，o v e rt h eo l r 6k g ( m d ) c o n d i t i o n s ( 3 7 8l d ) i n c r e a s e d5 2 3 h y d r o g e np r o d u c t i o nf r o ma n a e r o b i cf e r m e n t a t i o no fa c t i v a t e ds l u d g es y s t e m t oi m p r o v e t h ei m p a c to fo l rh a sac e r t a i na b i l i t yt oa d a p t , b u tt h i sa d a p t a t i o ni sl i m i t e d i no u r e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，o l rt o2 4k g ( 矗d ) ，t h ea n a e r o b i cs l u d g eo fh y d r o g e np r o d u c t i o n i i i a b s t r a c t s y s t e mt h ef o l l o w i n gp hd e c r e a s e dt o 3 7 r a p i d l y ，w h i l et h eo r pi n c r e a s e dt o 一2 3 0m v a n a e r o b i ca c t i v a t e ds l u d g em i c r o o r g a n i s m sc a nn o ta f f o r dt oi n c r e a s et h eo r g a n i cl o a dc a u s e d b ye n v i r o n m e n t a lc h a n g e s ，a n d i t sa c t i v i 够w a ss e v e r e l yi n h i b i t e d h y d r o g e np r o d u c t i o n c a p a c i t yo ft h er e a c t o rs h a r pd e c l i n ei na c i df e r m e n t a t i o no fo r g a n i cw a s t ew a t e r ，t y p ei sa l s o c h a n g e d i n c r e a s e dh y d r o g e np r o d u c t i o nc a p a c i t ya n dr e d u c et h ec o s to fh y d r o g e nf e r m e n t a t i o n h y d r o g e np r o d u c t i o nt e c h n o l o g y t h e k e y t oi n d u s t r i a l p r o d u c t i o n b i o a u g m e n t a t i o ni s d e v e l o p e d t oi m p r o v et h ee f f e c to fan e ww a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s s t u d i e ss h o wt h a tt h ec o n t r o lc o di s6 0 0 0m g l ，h r tw a s8h c s t rr e a c t o rw a s s t a b l er u n n i n ga f e r21d s ，p u tr 3b a c t e r i ai n t ot h er e a c t o r t h er e a c t o rr u n at o t a lo f3 0d a y s ， b i o l o g i c a le n h a n c ea tt h ee i g h t hd a y ，t h et w e l f t hd a ya n dt w e n t y o n ed a y sr e s p e c t i v e l y t h e d o s a g eo fh y d r o g e np r o d u c i n gb a c t e r i a ( a c c o u n t i n gf o rt h em a s sf r a c t i o no fa c t i v a t e ds l u d g e m l v s s ) w e r e1 2 ，3 7 ，禾9 a f e rb i o a u g 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 ns y s t e ma c h i e v e dat y p i c a lp hv a l u ei nt h e r a n g eo fe t h a n o lf e r m e n t a t i o n s t r e n g t h e nt h er o l eo fb i o l o g i c a lh y d r o g e np r o d u c t i o nc a n p r o m o t ef e r m e n t a t i o nt y p eo f r e a c t o rt oh y d r o g e np r o d u c t i o n ，h i 曲e re t h a n o lt y p ef e r m e n t a t i o n c h a n g e s h y d r o g e np r o d u c i n g b a c t e r i ab i o a u g m e n t a t i o nc o u l di m p r o v et h ei n i t i a lh y d r o g e n p r o d u c t i o n r a t ew i t hs t a b l eo p e r a t i o na tl o wl o a di nt h eh y d r o g e np r o d u c t i o ns y s t e m s i g n i f i c a n t l y a f t e r3t i m e so fb i o l o g i c a ls t r e n g t h e n h y d r o g e np r o d u c t i o nr a t ei n c r e a s e d3 6 m m o l ( k g d ) t o t h ee n h a n c e d5 7m m o l ( k g d ) ，i st os t r e n g t h e nt h ep r e - 1 5t i m e sb i o l o g i c a l h y d r o g e np r o d u c t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：a c t i v a t e ds l u g d e ；h i 玎：o l r ；h y d r o g e np r o d u c t i o n ；b i o a u g m e n t a t i o n i v 1 绪论 1 1 课题背景 我国目前正处在高速工业化阶段，水污染状况日趋严重，此外各类重水污染事故屡屡发 生，给流域内居民的生活、工作产生很大的影响。我国正在重复许多发达的工业化国家已走 过的先污染后治理的老路，同时还存在资金不充裕，土地、能源以及其它资源紧缺等制约性 的问题。在2 1 世纪初期，全国废水排放总量超过4 0 0 亿吨，废水中化学需氧量排放总量超过 1 3 0 0 万吨，废水中氨氮排放量1 3 3 万吨，并且数据呈现逐年递增的趋势。其中，约占废水排 放总量4 5 的为2 0 0 亿吨的工业废水，约占废水排放总量5 4 的为2 6 0 亿吨的城镇生活污 水；约占化学需氧量排放总量3 8 的为5 0 0 万吨的工业废水，约占化学需氧量排放总量6 1 的为8 3 0 万吨的城镇生活污水l l j 。在今后一段时期内，水污染难题将继续存在，并且局部的水 污染还有趋于严重的可能。因此，我们必须对水环境的污染进行严格的控制，以防止器对我 国市场经济的可持续发展造成阻碍。此外，废水也是一种宝贵的自然资源，特别是工业高浓 度有机废水中的有机污染物质，有较高的利用价值。当前我国环境保护事业日益受到重视， 然而，众所周知，迫于经济条件制约，工厂企业对建设无经济效益的废水处理设施的积极性 很低。所以，利用生物技术，开发新型的、有经济效益的废水生物处理技术，势在必行。 氢能是公认的清洁能源，其来源广泛、资源丰富，最有希望在未来替代化石能源。在二 十世纪七十年代，美国的通用汽车公司提出了“氢经济”的概念。与此同时斯坦福的研究院 就进行对于氢经济的可行性研究。2 0 世纪9 0 年代中期，城市的空气污染、由于使用交通工具 对于环境的污染实现减量排放、避免进口外国家的是有、温室效应的控制、储存可再生电能 供应的需求等因素增加了氢能经济的吸引力。参加全球替代能源氢能大会的人员们强烈要求 每个国家都要重视从能源的重要性以及它的窘迫环境，所以，最近一段时间。无论发达国家 还是发展中国家全部订制了适用于自己国家的发展规划对于氢能，并且花费了大量人力和物 理去支持其研究和开发的应用。通过对燃料电池的研究，电池汽车已成功投入生产，日本和 美国的一些汽车公司的实验性燃料电池汽车，在五年前已进行实验性生产。我国的“十五”国 家重点开发技术项目中，对于新型能源的开发利用有很高的重视程度【2 1 。目前，如何高效产氢 并保持低成本，是一亟待解决的重要课题。 1 2 生物制氢的研究现状及应用前景 1 2 1 生物制氢的研究现状 在上世纪3 0 年代，首次有文章阐述了利用细菌暗发酵产氢。随后，在上世纪4 0 年代， g a f r o n 和r u b i n 发表了绿藻产氢的研究成果；g e s t 和k a m e n 发现了利用光能产氢的菌类【3 1 。 二十世纪六十年代，s p r u i t 在试验中发现可以使用藻类，通过直接光解的方式产氢。在2 0 世 东北朴、l k 人学硕上学位论文 纪7 0 年代，在世界范围内展开了大量的对于生物制氢的研究。在1 9 7 6 年t h a u e r 提出，暗发 酵最多仅能利用1m o l 葡萄糖生成4m o lh 2 和2m o lc h 3 c o o h ，故其很难应用于工业生产 4 1 。在2 0 世纪8 0 年代初，在世界范围内，对于国际能源的关注日趋减少，环境问题 j 益加 深。然而，在德国、日本、美国等国政府的支持下，藻类能够在阳光照射下在水中产生氢气 的机理得到了广泛的关注与研究【5 1 。然而，太阳能效率的低下使得研究受到极大的限制。此 外，通过暗发酵和光营养细菌可以从底物或有机废物中产氢。美国和日本政府在国内支持了 数个长期的研究计划，期望研究成果能够带来绿色能源的产业化同时可以处理有机废物。预 计生物制氢技术在二十一世纪中期可以取得实际应用【6 j 。 绝大部分氢气的生产是利用了天然气或轻油的高温裂解和电解水的方法。但是，不可再 生能源或水电都在这些工业方法中的消耗很多，并且对环境的污染相当严重。生物法制氢上 述方面有着一定的优越性，生物制氢可以在常温常压下进行，所消耗的底物可以是大量的废 水和废渣等废弃物，把废水或废渣的再利用和资源回收想结合，能取得良好的社会经济效 益。 1 2 1 1 产氢机理 截至目前，研究中发现细菌产生氢气的途径主要有三种【7 1 ，分别为丙酮酸脱氢方式、甲酸 裂解方式和n a d h + h + 产氢方式( 图1 1 ) 。我们有时将第一种和第二种方法称为氢气的直接产生 途径，产氢能力均为l m o l 的葡萄糖可以产生2m o l 氢气。在利用两相厌氧处理系统的产酸相 ( c s t r ) 对于有机废水发酵法生物制氢的研究中，产氢产酸细菌有三种发酵类型：丁酸型 发酵、丙酸型发酵和乙醇型发酵。它们均属于第一种产氢途径( 如图1 2 所示) 。最后一种产 氢途径产氢能力取决于n a d h + h + 的剩余量及转化率。t a n i s h o 根据n a d h + h + 产氢途径提出了 一个假设【8 】：在t c a 循环的过程中，会有大量的n a d h 产生。在有氧条件下，这些n a d h 将质 子传递给氧分子形成水分子。参与还原性的生物合成代谢的n a d p h 的可从e m p 途径或者在能 量的参与下由n a d h 进行转化获取。由此，可减少细胞内的n a d h 。n a d h n a d + 的调控是引 起不同类型生物发酵的主要因素【9 j 。 a b h s c c h 3 c o c o o hh c o o h c h 3 c o s c o a 回 2 f e ：+ 8 f c f d 2 f e 3 a ：梭杆菌属的丙酮酸脱氢途径；b ：甲酸裂解途径 1 绪论 图1 1 细菌产氢途径 f d ：氧化型铁氧还蛋白；f d h 2 ：还原型铁氧还蛋白 图1 2 代表性的发酵制氢途径 1 2 1 2 生物制氢经典的发酵类型 发酵产氢一丁酸型 丁酸型发酵是梭状芽孢杆菌属主要的发酵方式f l0 1 。末端产物在发酵中主要是丁酸、乙 酸、h 2 、c 0 2 和微量的丙酸。其中，丁酸与乙酸的量比约为2 ：1 ，其反应式如下： 5 c 6 h 1 2 0 6 + 1 2 h 2 0 + 2 n a d 1 6 a d p + 1 6 p i 一 4 c h 3 c h 2 c h 2 c o o 。+ 2 c h 3 c o o + 10 h c o 3 + 2 n a d h + 8 h 十+ 10 h 2 + l6 a t p 发酵产氢丙酸型 厌氧型发酵过程通常为丙酸发酵。，产丙酸的途径与其他发酵类型相比有助于n a d h + 旷 的氧化，且还原能力很强。丙酸杆菌中由于没有产氢的酶所以不产生氢气。但是，在发酵过 程中混合菌群中丙酸发酵的主要发酵产物为丙酸和乙酸。在丙酸发酵中，产乙酸的过程所释 放的多余的n a d h + 一可以利用与产丙酸途径耦合生成。 c 6 h 1 2 0 6 十h 2 0 叶3 a d p c h 3 c o o + c h 3 c h 2 c o o - + h c 0 3 + 3 h + + 3 a t p 发酵产氢乙醇型 乙醇发酵在典型的生化代谢方式下丙酮酸由酵母菌属经碳水化合物糖酵解途径( e m p ) 或2 酮3 脱氧6 磷酸葡萄糖裂解途径( e d 途径) 生成。然后，丙酮酸在乙醛作用下生成乙 醇。乙醇和c 0 2 是仅有的发酵产物，没有h 2 生成。不过，研究发现，在发酵气体中存在着大量 的氢气。因而，这一发酵类型被任南琪【7 l 称作乙醇型发酵。乙醇、乙酸、h 2 、c 0 2 及少量丁酸 为末端发酵产物中的主要成分。通过如图1 3 可知，会有乙醇在这一发酵类型中产生。乙醇型 东北林q k 人学硕上学位论文 发酵从发酵稳定度及产氢总量等方面综合考虑不失为是一种厌氧产氢途径的正确选择【1 1 l 。 图1 3 乙醇型发酵途径 1 2 1 3 发酵法生物制氢反应器及控制因素 典型的厌氧产氢反应器类型有：上流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 【1 2 1 、连续流搅拌槽式 反应器( c s t r ) t 1 3 】、和厌氧膨胀颗粒污泥床( e g s b ) 1 4 】等。菌种本身的代谢特性和反应器 的运行参数是决定反应器产氢效率的主要因素。目前，对运行参数在以下几个方面进行了主 要研究。 p h 值 p h 值会在很大程度上影响细胞膜的电荷和酶的活性。因此，微生物对营养物质的代谢和 吸收过程会受到p h 值的间接影响。另外，生长环境中营养物质的供给和有害物质的毒性也会 受到p h 值的影响 1 5 l 。p h 的变化会引起产氢发酵细菌的生长速率和代谢途径的变化。最佳p h 值在乙醇型发酵中约为4 3 。在乙醇型发酵中，产氢发酵细菌的对进水变化的调节能力较强。 水力停留时间( h l 玎) 水力停留时间是连续流生物制氢反应器的一项重要控制参数，主要决定着营养物质 ( c o d 等) 供给和代谢产物排泄的速率，是底物和微生物之间有足够的时间进行物质交换的 保证。在一定条件下，污水处理的效能和速率是由h r t 决定的。在各类微生物的作用下，有 机物进入反应器后会发生水解、发酵、产酸；同时，h 2 和c 0 2 会被释放出来。反应器的效 率会因为有机物在反应器中停留的时间过长而降低。但是，产酸发酵的过程会因为停留时间 过短进行的不够充分。在反应器启动初期，丁酸的产量较高，通常形成丁酸型发酵，这主要 与微生物的生长代谢需要有关【l6 。微生物的激烈演替发生在反应器启动的初期，占优势地位 的微生物用来生长繁殖的能量需求十分巨大。在生物合成以及微生物的增殖中，这些物质是 必不可少的，促使在启动初期一定时间范围内丁酸型发酵的形成。当反应器中优势菌群占据 大量的物质逐步形成顶级群落以后，微生物的生长速率逐渐减缓，在其它条件基本不变的前 提下，能量需求不再是制约因子时，发酵类型将逐渐转变成产能较少的乙醇型发酵。 有机负荷( o l r ) 不同的种泥代表了不同的初始微生物群落，这些群落建立了不同的初始o r p 值，进而促 进适合于该o r p 的产酸发酵细菌生长并在生态系统中成为优势菌群，最终发展成为能够进行 不同类型发酵的顶级群落。刘敏m j 在研究中发现，o r p 值对发酵类型具有重要影响，当需要 i 绪论 提高o r p 时，通入加入氧化剂就可以实现。半胱氨酸当做还原剂投加到一些厌氧细菌的培养 基中，降低氧化还原电位、使体系处于完全厌氧条件的目的，在纯培养过程中。 氧化还原电位( o r p ) 厌氧微生物对于氧化还原电位( o r p ) 环境要求较低，从而使其脱氢酶系保持活性，以此来 满足它们的生存。有很多的因素影会响环境中的氧化还原电位。首先，氧分压会影响氧化还 原电位：氧分压升高，氧化还原电位会随之升高。其次，氢、硫化氢等会使环境中的o r p 降 低的还原性物质会在微生物对有机物的氧化及代谢过程中产生。最后，氧化还原电位还会受 到环境中的p h 值的影响：p h 值与氧化还原电位呈反比关系。 金属离子 在细胞水平上，产氢细菌的活性和数量会受到某些金属离子的影响。例如，任南琪等【1 8 , 1 9 】 发现：在缺少铁元素的情况下，乙醇型产氢发酵细菌b 4 9 的生长代谢和产氢能力会急剧下 降。目前，其它元素只是从量上进行了定量分析，对于其生理功能、作用机理等有待进行定 性的分析并得出具体结论。 1 214 不同底物发酵产氢研究现状 一个影响发酵法生物制氢技术的关键因素是底物种类。产氢受到底物的种类及数量的影 响比较明显。每种微生物能够利用的底物种类是特定，并且会优先选择性某种底物【2 0 1 。 通常情况下，底物用于生物发酵产氢应具备以下特性：具有很高浓度的碳水化合物； 高含量及低价的资源：高能量转化率等。在现行的研究中，生物发酵产氢所利用的基 质主要有三种：单纯的糖类：有机废水；固体废弃物。 在目前的技术条件下，溶解性差的淀粉比溶解性好的糖在碳水化合物中具有更高的产氢前 景。培养过程中消耗的底物用于菌体生长和产物的形成，有的底物还与能量的产生有关【2 。 一般而言，底物的消耗与菌体生长浓度和增值率成正比，与得率成反比。制糖厂产糖时的结 晶母液是本实验用到的糖蜜【2 2 l ，其总糖含量高达5 5 左右。糖蜜经酒精发酵成熟后，用蒸 汽在粗馏塔蒸馏出粗酒精，剩下的废液便是糖蜜废水。每生产1 吨酒精会产生1 4 吨左右的废 水。其有机物浓度极高。8 0 的干物质中有一半是如蔗糖、棉实糖、葡萄糖、果糖等碳水化 合物的糖类。除此之外，还含有许多游离的氨基酸，如谷氨酸、亮氨酸、丙氨酸及撷氨酸以 及无机盐类，如钾、钙、钠、镁、磷等。对生物制氢系统中的生物，这些物质有一定的生理 作用。 1 2 2 生物制氢的应用前景 生物质通过微生物催化脱氢，在生理代谢过程中产生氢分子的过程称为生物制氢。氢能 由于具有清洁、高效、可再生等优点，因而应用前景广阔1 2 3 , 2 4 】。哈尔滨工业大学任南琪教授 承担了的“有机废水发酵法生物制氢技术生产性示范工程国家“8 6 3 计划。日前，日产 1 2 0 0 立方米氢气生产示范基地在哈尔滨国际科技城一次性启动成功。开发清洁的生物制氢技 术必将带来显著的经济效益、环境效益和社会效益，它的研究和应用的重要意义是非常重 大。但是，生物制氢技术总体上并不成熟，仍然需要进一步研究才能够进行大规模应用。目 前，对于纯细菌和细胞固定化技术的研究比较密集，而生物制氢技术会因混合培养技术和新 东北林业大学硕上学位论文 生物技术的应用更具市场潜力。 1 3 本课题研究的目的意义及主要内容 1 3 1 课题来源 国家高新技术( 8 6 3 ) 研究发展计划( 2 0 0 6 a a 0 5 2 1 0 9 ) ，上海市教育委员会：发酵法纯培 养生物制氢机理与工程技术( 0 7 z z l 5 6 ) ，上海市科学技术委员会：生态氢的制备及其有机液 体储氢的研究与应用( 0 7 1 6 0 5 1 2 2 ) 。 1 3 2 本课题的目的和意义 我国是一个资源消耗型的国家，同时又是一个人均能源消耗比较高的国家。经济和社会 的发展造成对于不可再生资源与能源的过度开发和依赖。在世界范围内，能源结构的不合理 和资源的短缺已经成为制约国家发展和社会进步乃至是经济发展的瓶颈。在科学发展观的引 导下，适当发展绿色环保的高效清洁能源是解决现行国家和社会能源与经济问题的一个合理 途径。氢气同太阳能、风能一样是_ 种绿色能源，其用途遍能够满足国民建设及经济发展的 诸多要求，同时，也符合世界范围内能源需求的大方向。目前，世界范围内的氢气年产量有 4 是通过水电解的方式制取的。对于不可再生能源消耗很大的化学法是其余氢气的来源【2 5 1 。 世界经济的发展越来越迅速，我们的社会也在日益进步，人们越来越难以摆脱对于不可再生 能源的需求与依赖。为了实现世界范围内经济和社会的和谐发展，研究人员必须尽快研发出 价格低廉、产热效率高、并且是可再生的制氢技术。生物制氢技术是新世纪前景最为明朗的 氢气制备技术1 2 6 , 2 7 】。西欧等发达的国家对于藻类、光合细菌和发酵细菌产氢的研究已有数十 年的技术储备。我国在生物制氢方面的研究比较落后，仅有少数科研单位在从事这方面的研 究。因此，我国有必要在现阶段展开生物制氢技术的理论和工艺流程的研究。 1 3 3 本课题的主要研究内容 利用有机废水处理工艺进行生物制氢，分解大分子有机物质为低分子有机酸，同时可以 产生h 2 和c 0 2 等发酵气体。因此，我的实验主要是利用发酵法生物制氢技术以有机废水为原 料来生产氢气，同时达到污水的初级净化。鉴于对发酵法生物制氢技术的研究现状分析，可 以看出，以提高产氢能力，降低产氢成本为中心的发酵法生物制氢系统的研究是这一研究课 题的重点。 因此，本研究主要包括以下几个方面： ( 1 ) 连续流生物制氢反应器对活性污泥的启动状态的要求发酵法生物制氢主要是使有机 废水通过污泥反应产生氢气，因此，反应对污泥的活性要求很高，对污泥的营养配比、p h 值、c o d 去除率等都有一定的条件范围，所以研究污泥的培养就列为试验的重要部分。 ( 2 ) h r t 和有机负荷对c s t r 运行的影响，在发酵法生物制氢实验中，单靠对活性污 泥的研究效果变化不明显。因此，我们通过改变h r t 和有机负荷对连续流生物制氢反应器的 运行的进行研究。通过实验数据来确定合适的h r t 和有机负荷，在一定范围内，对产氢效率 会有大幅度提升作用。 ( 3 ) 有机废水成分对产氢效率的影响，发酵法生物制氢的目的是尽可能低成本，高效率 l 绪论 地生产氢气，所以生产原料的价格就是控制生产成本的关键所在。实验室所用的有机废水是 根据需要进行专门性配制的，而在大规模生产氢气中，能够利用已有的工业废水是降低成 本、减少环境排放的方法，而工业废水中成分复杂，因此，要了解具体成分对产氢效率的影 响。 ( 4 ) 发酵法生物制氢反应器( c s t r ) 可以提高产氢能力。近几年，生物强化技术作为 提高废水处理效果的一项新技术被发展了起来。李永峰等研究发现，向c s t r 反应器中投加 r 3 细菌后，反应器中的产氢效能和产氢菌的数量在活性污泥微生物群落中得到了提高。 东北林q k 人学硕上学化论文 2 试验材料与方法 2 1 试验装置及材料 实验所使用的连续流厌氧反应器( c s t r ) 装置及工艺流程如图2 1 所示。反应器内部设 有搅拌装置，搅拌器上部与反应器的接合部位通过水封方式保证密封性。反应器总容积为 1 2 5l ，其中反应区的有效容积为5 4l ，同时配备气体流量计、恒温装置及废水输入泵，采 用具有一定提升能力和混合能力的扇形涡轮搅拌器。反应器外壁上缠绕的电热丝可以为整个 系统提供热量，与控温设备相连接，将反应器内部的温度控制在( 3 5 + 1 ) 。反应器内处于紊 流状态，从而减小絮凝体颗粒的界面层厚度及温度梯度，使其容易形成絮状污泥或是颗粒污 泥，提高传质速率。 4 2 5 1 废水箱2 计量泵3 反应器4 搅拌器5 湿式气体流量计6 水封 图2 1 连续流混合培养生物制氢系统 连续流厌氧生物反应器( c s t r ) 接种的污泥取自哈尔滨市废水处理厂的底泥。用3 0 0 0 m g l 浓度的糖蜜进行污泥驯化，曝气培养2 周，将污泥由灰黑色变为黄褐色，使污泥具有很 好的沉降性。由显微镜可看到污泥内具有球菌、链球菌、杆菌以及多种原生动物和后生动 物，生物种类非常丰富。经驯化后的菌投加入反应器中，即可进行实验。反应器配有水箱。 将配比为c o d ：n - p = 2 0 0 3 0 0 ：5 - l 的糖蜜废水作为实验用废水。初期启动，n 、p 营养投 加量稍高，这样有利于微生物的增殖，从而使反应器的缓冲能力增强。 2 2 实验流程 2 2 1 接种污泥 反应器的接种污泥为哈尔滨市废水处理厂的底泥。底泥经曝气培养后接种到反应器中， 反应器系统的启动要经过3 0 天左右才能完成。反应器启动初期，生物制氢反应系统的各项指 2 试验材料与方法 标控制在c o d 为4 0 0 0m g l 、o r p 为3 5 0m v 、p h 值为5 的稳定运行状态。 在实验中对于培养厌氧活性污泥的影响因素较多，其主要因素有：接种的污泥、反应器内 的温度、反应内的p h 、添加的营养物质、水力停留时间、为加速污泥驯化而加的惰性颗粒种 类和数量等。进行污泥的接种培养时，一般会使用采用较粘稠的污泥，这样就可以有选择性 的洗出部分生物物质。这样会使得污泥的颗粒化进程减慢。但是，这会导致浓度低的污泥容 易发生污泥膨胀这种情况，会使相当一分部生物的物质没有通过选择就洗出来。 2 2 2 底物 本课题中反应器的进水是甜菜制糖厂在制糖过程中产生的废糖蜜加水稀释而成作。在废 水配制时，为了保证污泥在生长过程中对氮、磷等营养元素的需求，需要加入一定量的农用 复合肥。废水配置过程中，加入的c ：n ：p 保持在2 0 0 5 0 0 ：5 ：l 。 2 3 分析方法 实验开始后的数据测量主要包括c o d 、p h 、氧化还原电位、总糖降解效率( t s d e ) 、 气相组分、液相发酵产物、气体流量、挥发悬浮固体( v s s ) 。试验中的主要分析项目与方法见 表2 1 ： 表2 1 主要分析项目 分析项目分析方法 频度 c o d 重铬酸钾法常规一 p h 值p h 2 5 型酸度计 常规 t s d e 邻胺基联苯一醋酸法定期 气相末端产物s c i i 型气相色谱仪定期 液相末端发酵产物g c 1 2 2 型气相色谱定期 氧化还原电位 p h 2 5 型酸度计常规 2 3 1 发酵气体中氢气含量的测定 采用上海分析仪器厂生产的s c i i 型气相色谱仪，热导池检测器，不锈钢柱，柱长与直径 2m x q 0 5 ，载体t d s - 0 1 ，6 0 8 0 目，载气氮气，流速7 0m l m i n ，室温测定，进样量5 0 0 此。 2 3 2 液相末端发酵产物的测定 采用上海分析仪器厂生产的g c l 2 2 型气相色谱仪，不锈钢柱，柱长2m ( 内径5m m ) ， 载体g d x l 0 3 ，6 0 - - , 8 0 目，氢火焰监测器，汽化室2 0 0 ，柱温1 9 0 ，检测室温度2 4 0 ， 载气氮气，流速5 0m l m i n ，氢气流速5 0m l m i n ，空气流速5 0 0m l m i n 。取l “培养液，加 入6m o l lh c i1 - 2 滴，在5 0 0 0r p m 下离心1 5m i n ，取上清液2 此进样检测。氢气、氮气和 空气来源分别来自氢气发生器、氮气发生器和空气发生器。 2 3 3t s d e 的测定： 邻胺基联苯醋酸法：取3m l 糖蜜滤液置入试管中，然后在试管中滴入1 0 叫邻胺基联苯 醋酸试剂。将试管在1 0 0 c 条件下持续水浴1 分钟，然后盖紧试管塞。接下来，试管在1 0 0 条件下持续水浴4 5 分钟，然后用水进行快速冷却。用3i i l l 的蒸馏水代替水解液作为参比， 东北林、l k 人学硕上学位论文 在紫外分光光度计上测定3 8 0 i u n 吸光值。计算含糖量时可以分别用木糖和葡萄糖绘制标准曲 线。 2 3 4 挥发性悬浮固体的测定： 污泥减量的典型参数被称作v s s 。因此，我们在试验中将污泥溶解效果的评价指标设定为 v s s 。v s s 用来表征活性微生物在剩余污泥中的量的大小。通常，v s s 占污泥有机物的9 5 以上，污泥减量情况主要通过观察其溶解程度来确定。 去除率是衡量污泥稳定化程度的一个关键指标。为了加快产物的生成速度，可以在一定 范围内增加反应温度。在氧气的溶解量比较大的情况下，v s s 会被分解成水和二氧化碳。v s s 溶解率可以由下面的公式计算得出： v s s 溶解率= 【( c v s s ，o _ c v s s ) c v s s ，0 】1 0 0 式中：c v s s 为t 时v s s 浓度；c v s s ，0 为初始v s s 浓度。 2 3 5 氧化还原电位 氧化还原电位简写为o r p ，单位为伏( v ) 或毫伏( m v ) ，用一个铂丝电极与一个标准参 考电极同时插入被测体系中而测得的，通过电极显示的电位差在一个敏感的伏特计上读出。 本实验采用p h 3 c 型酸度计，正极接饱和甘汞电极，负极接铂电极( 如图2 2 所示) ，所测 结果为负值。测定过程中，注意读数前向氧化还原电位测定装置内通水时间大于3 0m i n ，以保 证数据值显示稳定，并且要注意装置内必须排净气泡。 图2 2 氧化还原电位测定装置 3h r t 和o l r 对发酵产氧反腑器运行的影响 3h r t 和o l r 对发酵产氢反应器运行的影响 3 1h r t 对发酵产氢反应器的影响 将已经培养好的污泥加入到c s t r 反应器中，当其运行达到稳定的条件下。进水c o d 控 制在4 0 0 0m g l ，p h 在5 左右，温度在3 6 5 左右，将h r t 逐渐减少，水力停留时间从1 2 h 开始运行此反应器，每周减少一次水力停留时间，间隔为2h ，以此频度继续下去，反应器 运行6 个周期，每个周期为7 天，最终达到水力停留时间为2h ，实验停止。在此期间每天测 定进出水c o d 、进出水p h 、气液相末端产物、生物量、t s d e ( 总糖降解效率) 3 1 1h r t 对c o d 去除率及t s d e 的影响 水力停留时间( h r t ) 是影响生物强化效果的一个重要参数【2 8 1 ，图3 1 表明了h r t 对于 c o d 去除率的影响，反应器的运行按照h r t 的不同分阶段进行。在每一个阶段反应器运行达 到稳定状态后就再次改变h r t ，反应器就会进入下个运行阶段。 o 5 0 弯4 0 褥3 0 藿