（环境工程专业论文）污泥厌氧发酵产氢的影响因素分析.pdf

污泥厌氧发酵产氨的影响因素分析 摘要 发酵法生物制氢技术以其产氢能力高、稳定性好、可实现废物处理资源化等 优势而成为生物制氢技术的首选。剩余污泥中包含大量的蛋白质、多聚糖等有机 质，一直被认为是一种具有潜力的生物制氢原料。针对剩余污泥厌氧发酵存在着 不能实现高效、稳定地生物产氢的难题。本论文研究了提高污泥厌氧发酵产氢量 的影响因素，以污泥作为底物，试图通过两种途径改变底物的性质达到提高其厌 氧发酵氢气产量的目的。此外，本研究还尝试利用一种新型生物法破解污泥后产 氢发酵。 本研究针对污泥滤液作为底物产氢发酵进行了研究。灭菌预处理的剩余污泥 会释放出大量的有机质，真空抽滤后去除掉污泥中固态物质得到滤液。将预处理 污泥与滤液分别作为底物，接种产氢菌p s e u d o m o n a ss p g z l 后产氢发酵。测定两 种不同底物发酵反应过程中氢气的产量，以及底物的变化( s c o d 、可溶性蛋白 质、总糖、p h ) 。实验结果表明，利用预处理后的污泥滤液作为底物能够有效提 高氢气产量。滤液发酵的产氢量达到了4 4 4 m g h 2 g c o d ，比预处理污泥直接发酵 提高了近3 3 倍。本实验证明污泥中的固态物质在发酵过程中能释放出更多的营养 物质，但实际上并不能被产氢菌有效地利用产生更多的氢气，并对其原因进行了 探讨。 利用一种新型的重金属吸附剂一碳氢磷灰石( c h a p ) 去除微波预处理后污泥 中溶解态重金属。将投加不同量c h a p 后预处理污泥作为底物，分别接种产氢菌 e n t e r o c o c c u ss p l g l 厌氧发酵比较产氢效果。研究结果显示当底物中c h a p 投加 量为5 9 l 污泥1 时，产氢发酵较完全，产氢量最大为1 0 0 1 m g h 2 g c o d q , 氢气产量提 高了3 0 ；而当底物c h a p 投加量大于1 0 9 l 污泥，底物对产氢发酵有明显的抑制 效应，产氢量骤减。结合底物中性质变化，探讨产生差异的原因，证实了底物中 适当重金属去除能够有效提高氢气产量。 与传统的污泥预处理方法相比，生物技术处理污泥具有低能耗、低污染、低 成本、更安全的特点。应用嗜热酶污泥溶解( s t e ) 技术预处理剩余污泥，研究接 种产氢菌( e n t e r o c o c c u ss p l g l ) 和未接种产氢菌两种状况下，污泥厌氧发酵产氢效 果，并与相应温度( 6 5 ) 热预处理污泥的发酵产氢效果进行对比。本实验研究嗜 热菌与热水解预处理对污泥厌氧产氢影响。在批式试验的基础上，通过对比两种 污泥预处理方式厌氧产氢效果，并对污泥发酵过程中底物性质变化进行了分析。 结果表明，经s t e 预处理的污泥在未接种外在产氢菌时，产氢效果良好，最大 产氢量( h 2 v s ) 高达l6 3m l h 2 g v s ，高出6 5 热预处理污泥接种产氢菌 i i 硕l 学位论文 ( e n t e r o c o c c u ss p l g l ) 1 5 6 ，高出6 5 热预处理污泥未接种产氢菌2 6 4 ，发酵 气体中只含有h 2 和c 0 2 ，不含c h 4 ，氢延迟时间短( 3 4h ) ，产氢率达最大值后能 较稳定地维持1 0h 以上；s - t e 预处理污泥接种产氢菌后，产氢效果不佳，最大 产氢率仅为l o 7m l g v s 。 关键词：生物制氢；厌氧发酵；污泥滤液；重金属；碳羟磷灰石( c h a p ) ；嗜热 酶溶解；底物；延迟时间 i i i a b s t r a c t t h ep r o c e s so fb i o 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 nh a sb e c o m e t h ef i r s tc h o i c ei nt h eb i o h y d r o g e np r o d u c t i o nd u et oi t sa d v a n t a g eo fh ig hh y d r o g e n y i e l d ，s t a b i l i t y a n dw a s t eu t i l i z a t i o n w a s t e a c t i v a t e ds l u d g ef r o mw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n tc o n t a i n sh i g hl e v e l so fo r g a n i cm a t t e r ss u c h a s p r o t e m s a n d p o l y s a c c h a r i d e s ，a n dt h u si sr e g a r d e da sap o t e n t i a ls u b s t r a t ef o rp r o d u c i n gh y d r o g e n t h ep u r p o s eo ft h i ss t u d yi st or e s o l v et h ed i f f i c u l t i e so fr e a l i z i n gh i g ha n ds t a b l e h y d r o g e np r o d u c t i o nf r o me x c e s sa c t i v a t e ds l u d g eb ya n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n i nt h i s p a p e rw a s t ea c t i v a t e ds l u g ew a su s e da s s u b s t r a t et op r o d u c eh y d r g o n ，a n dt h e nt h e i n f u e n c e so fs l u g ec h a r a c t e r i s t i c so nb i o h y d r o g e np r o d u c t i o nw e r er e s e a r c h e d t w o a p p r o a c h e so fc h a n g i n gt h es u b s t r a t ec h a r a c t e r i s t i c st oi m p r o v eb i o h y d r o g e ny i e l d w e r ei n v e s t i g e d b e s i d s e s ，an e wt y p eo fb i o l o g ys l u d g ep r e t r e a t e dm e t h o dw a s a p p l i e dt ob r e a ks l u g e ，a n dt h e nt oc o m p l e t et h ep r o c e s so fb i o h y d r o g e np r o d u c t i o n f r o ma n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n b a t c ht e s t sw e r ec a r r i e do u tt oa n a l y z ei n f l u e n c eo fu s i n gs l u d g ef i l t r a t ef o rt h e s u b s t r a t e sf o ra n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n t h es l u d g ew o u l dr e l e a s el o t s o fo r g a n i c m a t t e r sa f t e rs t e r i l i z a t i o np r e t r e a t m e n t ，a n dt h e nt h ef i l t r a t e w a so b t a i n e df r o m v a c u u mf i l t e r i n gt h ep r e t r e a t e ds l u d g et h r o u g haf i l t e r b o t ht h ep r e t r e a t e ds l u d g ea n d t h e i rp r e t r e a t e df i l t r a t ew e r eu s e da st h es u b s t r a t e sf o rh y d r o g e np r o d u c t i o nb y p s e u d o m o n a ss p g z1r e s p e c t i v e l y t h eh y d r o g e ny i e l da n dt h ec h a n g eo fs o l u b l e c o d 、p r o t e i n 、c a r b o h y d r a t ea n dp h v a l u ed u r i n go ft h ef e r m e n t a t i o np r o c e s s e sw e r e c o m p a r e da n dm o n i t o r e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tu s i n gf i l t r a t ew o u l dp r o d u c em o r e h y d r o g e n t h a nu s i n gt h eb i o s o l i d s u s i n gf i l t r a t e a ss u b s t r a t ec o u l dp r o d u c ea h y d r o g e ny i e l do f4 4 4m g h 2 g c o d ，a p p r o x i m a t e l y3 3 t i m e st ot h ep r e t r e a t e ds l u d g e i tw a sd e m o n s t r a t e dt h a tt h es o l i d sp h a s ei nw a s t es l u d g ec o u l dr e l e a s em o r en u t r i e n t s d u r i n gf e r m e n t a t i o n ，b u t i tw a sd i s a d v a n t a g ef o rh y d r o g e np r o d u c t i o n ，a n dt h e p o s s i b l er e a s o n sf o rt h ep h e n o m e n o n w e r ea n a l y z e d an e w s t y l eo fh e a v ym e t a l ss o r b e n t ( c h a p ) w a su t i l i z e d t or e m o v et h e d i s s o l v e dh e a v ym e t a l sf r o mm i c r o w a v ep r e t r e a t e dw a s t es l u d g e t h e nt h ep r e t r e a t e d s l u d g ei nw h i c hd i f f e r e n td o s a g e so fc h a p w e r ea d d e dw a su s e da st h es u b s t r a t e sf o r c o m p a r i n gt h ee f f e c to fa n a e r o b i cf e r m e n t i v eh y d r o g e np r o d u c t i o nb ye n t e r o c o c c u s s p l g1 t h er e s u l t ss h o w e dw h e nt h ed o s a g eo fc h a p i nt h es u b s t r a t ew a s5g l 1 ( s l u d g e ) ，t h eh y d r o g e ny i e l dr e a c h e dt ol0 01m g h 2 g c o d a n di m p r o v e dn e a r l y3 0 硕- 二学位论文 h o w e v e r ，w h e nt h ed o s a g eo fc h a pi nt h es u b s t r a t ew a sm o r et h a n10 9 - l 一( s l u d g e ) ， t h ea n a e r o b i cf e r m e n t a t i o nw a so b v i o u s l yi n h i b i t e db yt h es u b s t r a t e sa n de v e nh a v ea l i t t l eh y d r o g e nw a sd e t e c t e d i nt h i ss t u d y ，t h eh y d r o g e ny i e l da n dt h ec h a n g eo ft h e c h a r a c t e ro fs u b r a t e sd u r i n gt h ef e r m e n t a t i o np r o c e s s e sw e r em e a s u r e d ，t h ep o s s i b l e r e a s o n sf o rt h ep h e n o m e n o nw e r ea n a l y z e d 。i tw a sd e m o n s t r a t e dt h eh y d r o g e ny i e l d c o u l db ee f f e c t i v e l yi m p r o v e dt h o u g hr e m o v i n gt h ea p p r o p r i a t eh e a v ym e t a l s c o m p a r e dt oc o m m o ns l u d g ep r e t r e a t m e n t s ，b i o l o g i c a lp r e t r e a t m e n t i sl o w e r e n e r g ya n di n v e s t m e n tc o s t ，m u c hc l e a n e ra n ds e c u r e r b a t c ht e s t sw e r ec a r r i e do u tt o a n a l y z et h ee f f e c t so fa 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 nu s i n ge x c e s s s l u d g ep r e t r e a t e db ys - t e ( s o l u b i l i z a t i o nb yt h e r m o p h i l i ce n z y m e ) w i t ha n dw i t h o u t i n o c u l a t i o no fh y d r o g e n - p r o d u c i n gb a c t e r i a ，e n t e r o c o c c u ss p l g1 t h ep e r f o r m a n c e o fb i o h y d r o g e np r o d u c t i o no ft h es - t ep r e t r e a t e ds l u d g ea n dt h e6 5 ct h e r m a l l y p r e t r e a t e ds l u d g ew a sa l s oc o m p a r e di nb a t c hf e r m e n t a t i o nt e s t s t h er e s u l t ss h o w e d t h a ts l u d g ep r e t r e a t e db ys - t ew i t h o u ti n o c u l a t i o nc o u l dm a k eg o o db i o h y d r o g e n p r o d u c t i o n t h em a x i m a lh y d r o g e ny i e l d ( h f f v s ) w a s16 3 m lh 2 g ，2 6 4 h i g h e r t h a ns l u d g ep r e t r e a t e db y6 5 ch e a tw i t hi n o c u l a t i o na n d15 6 t h a n6 5 ch e a t w i t h o u ti n o c u l a t i o n h y d r o g e na n dc a r b o nd i o x i d ew e r eo n l yp r o d u c e da n dm e t h a n e w a sn o to b s e r v e dd u r i n gt h ep r o c e s s t h el a yt i m ef o rh y d r o g e np r o d u c t i o nw a so n l y 3 4h o u r s ，a n da f t e rr e a c h i n gi t sm a x i m u n ，t h eb i o - h y d r o g e nw a sa b l et om a i n t a i n s t a b l ef o ra b o v e10h o u r sw i t hl i t t l ec o n s u m i n g t h eb i o - h y d r o g e ny i e l do ft h es t e p r e t r e a t e ds l u d g ei n o c u l a t e de n t e r o c o c c u ss p l g lw a sv e r yl o w , o n l y1 0 7m l g k e yw o r d s ：b i o - h y d r o g e np r o d u c t i o n ；a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ；s l u d g ef i l t r a t e ； h e a v y m e t a l ； c a r b o n a t e h y d r o x y l a p a t i t e ； s o l u b i l i z a t i o n b y t h e r m o p h i l i ce n z y m e ( s - t e ) ；s u b s t r a t e ；l a yt i m e v 污泥厌氧发酵产氧的影响冈素分析 插图索引 图1 1 乙醇型发酵途径6 图1 2 氢代谢及氢酶活性位点模式8 图1 3 厌氧降解过程示意图1 5 图2 1 假单胞菌g z l 透射电镜与扫描电镜图片2 1 图2 2 氢气收集装置2 2 图2 3 液体样品的处理流程2 3 图2 4 两种底物产氢发酵过程中s c o d 浓度的变化2 5 图2 5 污泥发酵与滤液发酵累积产氢量变化曲线2 6 图2 6 两种底物产氢发酵中总糖变化曲线2 7 图2 7 两种底物产氢发酵中可溶性蛋白质的变化2 8 图2 8 两种底物产氢发酵过程中p h 变化2 9 图3 1 不同批次底物中溶解性重金属的浓度3 8 图3 2 不同批次累积氢气产量3 9 图3 3 不同批次氢气累积产量4 0 图3 4 不同批次反应中s c o d 的变化曲线4 0 图3 5 不同批次产氢发酵反应中可溶解性蛋白质变化：4 l 图3 6 不同批次产氢发酵反应中可溶解性糖类物质变化4 2 图3 7 不同批次产氢发酵反应中p h 变化4 2 图4 1s t e 技术示意图4 6 图4 2s t e 污泥溶解反应器4 9 图4 。3s t e 污泥溶解反应器单元示意图4 9 图4 4s t e 和6 5 热预处理污泥发酵产氢量变化5 1 图4 5s t e 和热预处理污泥发酵过程中s c o d 浓度变化5 2 图4 6s t e 和热预处理污泥发酵过程中可溶性蛋白质浓度变化5 3 图4 7s t e 和热预处理污泥发酵过程中可漕性糖浓度变化5 3 图4 8s t e 和6 5 热预处理污泥发酵过程中p h 变化5 4 图4 9s t e 和6 5 热预处理污泥发酵过程中v s s t s s 的变化5 5 x 硕士学位论文 附表索引 表1 1 主要微生物类型及其产物4 表1 2 利用不同基质的厌氧发酵产氢发酵1 1 表2 1 原污泥的特性2l 表2 2 主要试验仪器2 2 表2 3 产氢发酵底物的性质2 4 表2 4 本文献结果与文献报道数据比较2 6 表2 5 反应未端的v f a 组成含量3 0 表3 1 不同重金属离子对厌氧污泥的i c 5 0 一3 4 表3 2 投加不同量c h a p 后产氢发酵的效果3 8 表3 3 不同批次产氢发酵反应未端液态组成4 3 表4 1 预处理后污泥的性质5 0 表4 2 发酵气体中各成分含量5 1 x i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特另j 3 0 n 以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期2 0 08 卵月中日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 问也 刷醛轹蕊吗 日期：2 。g 年j 2 月令日 日期：肿 矿月哆日 硕1 j 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 课题研究的背景 环境保护是我国的一项基本国策。但是随着我国工农业经济的迅速发展，水 环境污染问题尤其是城市生活污水和工业废水的排放日益突出。根据2 0 0 6 年中国 环保总局的全国环境统计公报，2 0 0 6 年全国废水排放总量为5 3 6 8 亿吨，比上年增 3 n 2 3 其中工业废水排放量2 4 0 2 亿吨，占废水排放总量的4 4 7 ；城镇生活污水 排放量2 9 6 6 亿吨，占废水排放总量的5 5 3 。另据国家环保总局提供的数字，目 前全国共建设城市污水处理厂4 5 2 座，其中二、三级污水处理厂3 0 7 座，城市污水 处理率虽已经达到3 6 5 ，但还是远远低于发达国家水平。 我国的城市污水处理厂普遍采用的是以传统活性污泥法为主的生物处理工 艺。因此，污水厂的正常运行过程中会产生大量的剩余污泥。据不完全统计，2 0 0 6 年我国共排放2 9 6 6 亿吨生活污水，其中约有4 2 2 亿吨的生活污水被集中在城市污 水厂处理。若处理每吨污水的污泥产率按千分之1 5 2 0 计算，则共产生约5 5 0 6 万吨干污泥预计至u 2 0 1 0 年，我国城市污水厂的湿污泥产量将超过2 0 0 0 万吨。然 而，剩余活性污泥中含有丰富的有机质，如多糖、蛋白质和脂肪类等，这些有机 物可通过厌氧生物法处理并达到减量化、稳定化、无害化，并从中回收能源。 目前现有的污泥厌氧生物处理绝大多是采用污泥消化产甲烷发酵【2 】的方法。 在产甲烷过程中，污泥发酵产氢产乙酸是其中的一个中间阶段。若能将此阶段稳 定控制在产氢阶段，则可以在处理泥的同时又可获取清洁高效的能源一氢气。氢 气作为一种无污染可再生的理想燃料，已在世界范围内得到广泛重视。城市污水处 理厂剩余污泥或其他生物质能制取氢气，反应条件温和，具有开发新能源、节省 能量消耗及净化环境的重要意义【3 ，4 】。利用污水厂预处理剩余污泥厌氧发酵产氢是 一个非常有意义并具有广阔发展前景的新的研究方向。 1 1 2 课题研究的目的和意义 对污泥进行预处理改善厌氧消化性能，进而利用预处理污泥厌氧发酵产氢， 是一个具有广阔发展前景和重要意义的研究方向。研究如何通过各种预处理方法 包括物理化学和生物方法来强化和改善污泥的厌氧消化性能，提高剩余污泥的利 用效率，既能为城市污水厂的剩余污泥处理处置开辟一条新的途径，还能产出完 全环保且燃烧值高的新能源h 2 ，变废为宝，利于社会的和谐发展。 污泥厌氧发酵产氧的影响冈素分析 当前利用污泥发酵产氢已经有了一些突破，但产氢量少，容易消耗仍然是制 约其发展的瓶颈。如何利用更实用有效的预处理方法提高产氢菌的产氢效果就成 为了当前急需解决的问题。目前，污泥预处理技术主要有机械破碎、超声波破碎、 热水解、酶处理及酸碱处理，但是在资源化开发方面仍还有很多基本上处于探索 阶段，而且国内目前相关的基础研究甚少。因此，本文着重于考察了利用预处理 污泥滤液产氢发酵，污泥预处理后可溶解性重金属去除产氢发酵以及利用嗜热菌 水解污泥及热水解处理污泥后产氢发酵的影响研究。进而探讨在无外加营养物质 的条件下产氢菌株利用不同预处理污泥的产氢能力，比较各预处理方法的优缺点， 综合考虑从而得出合适的污泥预处理方法，提高产氢效果。 1 2 发酵法生物制氢理论现状 1 2 1 生物制氢发展 生物制氢想法最先是由l e w i s 于1 9 6 6 年提出的【5 6 l ，2 0 世纪7 0 年代能源危机引 起了人们对生物制氢的关注，并开始进行研究。几个工业发达国家，如美国、日 本、荷兰等对生物产氢的研究起步较早。八十年代能源危机结束之前，研究人员 进行了大量有关蓝绿藻水的光解作用地认识到长期使用化石燃料所产生大量的温 室气体导致了影响全球气候的环境问题，生物产氢技术的研究再次受到了世界各 国的普遍重视。世界纷纷成立与氢能源有关的国际组织。国际氢能源协会 ( i n t e n r a t i o n a le n e r g ya g e n c y ，i e a ) 成立于二十世纪七十年代，主要着重资助水的光 解产氢和光合菌光发酵产氢的研究。而日本的氢能源计划则起源于19 9 0 年国际贸 易与工业部成立的地球新技术研究所( r e s e a r c hi n s t i t u t eo fi n n o v a t i v et e c h n o l o g y f o rt h ee a r t h ) ，目的在于寻求可再生的清洁能源，减少温室效应气体的产生。美国 能源部( d e p a r t m e n to fe n e r g y ) 也相继启动了有关生物产氢方面的研究，投入了大 量的资金用于生物产氢领域的研究工作。 目前，世界各国在生物产氢研究领域和研究重点方面都不一样，其中美国和 日本在生物产氢的研究领域互为补充且最为活跃。另外，中国内地和台湾等近年 来也开展了有关生物产氢方面的研究到了9 0 年代，并取得了一些成果。哈尔滨工 业大学的任南琪教授在1 9 9 0 年提出了以厌氧活性污泥为制氢生产者，利用碳水化 合物为原料的发酵法生物制氢技术。该技术在国际上是全新的生物制氢技术，它 突破了生物制氢必须采用纯菌种和固定技术的局面，开创了利用非固定化菌种生 物制氢的新途径，并首次实现中试条件下，连续长期持续产氢。中试研究成功， 标志着我国在生物法的工业化制氢生产占世界领先水平至少5 年以上，并将发展成 为具有创新技术的新兴产业。目前生物制氢技术还很不成熟，大多数研究都集中 在纯细菌研究和细胞固定化技术上，如探讨产氢菌种的筛选及包埋剂的选择等； 另外，菌种大多采用光合细菌。因为这些研究思路和方向不适宜，迄今在基础理 硕i ：学位论文 论和应用技术研究方面均无突破。制约发展的主要原因是：研究规模和产氢能力 水平低；纯菌种、产氢能力低及需要细胞固定化等原因使工业化氢气生产难以实 现。 1 2 2 生物制氢的理论 1 2 2 1g r a y 和g e s t 产氢理论 1 9 6 4 年，g r a y 和g e s t l 7 1 在科学上发表的关于生物制氢理论综述文章，首 次系统提出了生物制氢理论。依据电子供体的不同将产氢发酵细菌分为4 类：( 1 ) 不含细胞色素的专性厌氧异养细菌：不含有细胞色素型的电子供体，以丙酮酸、 丙酮酸式二碳单位为电子供体产氢。这类细菌多为梭菌属细菌，催化酶系为梭菌 型( c l o s t r i d i a l t y p e ) 脱氢酶；( 2 ) 兼性厌氧异养细菌：典型的利用细胞色素为电子供 体，利用甲酸产氢。这类细菌以肠道细菌为代表，催化酶系为肠杆菌型( c o l i - t y p e ) 脱氢酶：( 3 ) 含细胞色素的异养型专性厌氧细菌：含有细胞色素型的电子供体，以 丙酮酸和甲酸为电子供体产氢。目前仅发现脱硫弧菌属于这类细菌，并且要在无 硫条件下，才能进行产氢。这类细菌从厌氧性上应归于第1 类，但其代谢机制却 更趋向于第2 类，黑暗条件下也可以进行发酵产氢，其机制类似于第1 、2 、3 类 细菌。 1 2 2 2t a n i s h o 产氢理论 1 9 9 5 年，t a n i s h o 8 】在g r a y 理论的基础上，结合微生物生理学中的发酵途径分 析，将细菌产氢发酵归纳为两种途径：甲酸途径和n a d h 途径。( 1 ) 甲酸途径。细 菌进行棍合酸发酵，丙酮酸生成乙酞c o a 时，产生甲酸，甲酸裂解成h 2 和c 0 2 ，生 成h 2 的量与乙酸和乙醇的总量一致。( 2 ) n a d h 途径。通过n a d h 再氧化过程实现， 见式( 1 1 ) 。n a d h 贝j j 通过糖酵解( 由葡萄糖发酵转化成丙酮酸) 及丙酮酸转化到末端 发酵产物过程中产生。 n a d h 十h + 一n a d + + h 2( 1 1 ) 1 9 9 8 年，t a n i s h o 9 】经过研究认为，细菌经过磷酸已糖途径产生大量的还原力， 消耗n a d h ，与c 0 2 和丙酮算生成琥珀酸和甲酸：发酵葡糖糖生成乙酸、丁酸、丙 酮和丁二醇的同时生成n a d h 。由n a d h 途径的产氢理论，得到细胞中残留的 n a d h 与氢气产量成正比相关，推倒出残留n a d h 的计算公式( 1 2 ) ： 残留n a d h = 产生n a d h 消耗n a d h = 2 乙酸+ 2 丁酸+ 丁二醇+ 4 丙酮一琥 珀酸一甲酸 ( 1 2 ) 1 2 2 3 厌氧发酵类型 产氢发酵细菌的种类很多，主要包括梭菌属( c l o s t r i d i u m ) 、类芽孢菌 ( p a e n i b a c i l l u s ) 、肠杆菌科( e n t e r o b a c t e r i a c e a e ) 等许多专性厌氧和兼性厌氧微 污泥厌氧发酵产氧的影响冈素分析 生物，如丁酸梭状芽孢杆菌、拜式梭状芽孢杆菌、大肠埃希式杆菌、产气肠杆菌、 褐球固氮菌等。有机物发酵产氢的形式主要有两种：一是丙酮酸脱氢系统，在丙 酮酸脱羧脱氢生成乙酰的过程中，脱下的氢经铁氧还原蛋白的传递作用而释放出 分子氢；二是n a d h n a d 平衡调节产氢，当有过量的还原力形成时，以质子作 为电子沉池而形成氢。微生物发酵的类型如表1 1 所示。根据微生物的经典发酵 途径分析可知，能够产生分子氢的发酵类型主要有丁酸发酵、丙酸发酵以及乙醇 发酵10 1 。 表1 1 主要微生物类型及其产物 _ _ - - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ - _ - _ _ - _ - _ - - - _ - - _ - - _ - _ _ _ 二= 二_ - _ - _ - - - - _ _ - - - _ - _ - - 二_ - _ _ _ - - _ - _ l ， 发i i 莩类型 主簧笨筠j ；产物皇要微生物 丁酸 梭状芽孢菌属( c o s t n d i u m ) 1 酸发鲜 己酸j 醇援( c b u t y r i c u m ) ( b ) r t y i ca c i df e r m e n t a t i o n )h 2 ，c o ：丁酸弧箔膳( 8 “哆r i o b i o ) 丙酸发酵 ( p r o p i o n i ca c i df c r m c n l a t i o n ) 温台酸发酵 ( m i x e da c i df e r m e n t o t i o n ) 乳酸发酵 ( l a c t i ca c i df c r m e m a t i o n ) 乙静发酵 ( e t h a n o lf c - m m 酾a 6 0 n ) 丙酮丁薛援滔( c “皑m “，v 舷材m ) 露艘谢氏两酸甜菌 乙酸 ( p r o p i o i n i b a c r c r i u ms h e r m a m ) c 0 2 乳酸( 或乙解) 援希氏落满( e s c h e r i c h i a ) 乙竣 大脑埃跨氏麓簏( e c o h ) 牲：、c 0 3 恚贺氏蘑属( 靳国r “h j 甲酸 乳酸 乙醇 c o z 链球菌屑( s t r e p t o c o c c u s ) 铸氏乳h 藩( l a c t o b a c i l l u ed e l b r u c k i i ) 嗜缎毵藩( i o c i d o p h i l u s ， 植物乳甜l 萄( l p a n l a r u m ， 下酪乳钳嫠l l f 甜r 0 酵母蔷襁( s a c c h a r o m y c e s ) 酸洒酵蹲( s c e r e v i s i a e ) 运动发酵单孢菌属( z y m o m o n a s ) ( 1 ) 丁酸型发酵 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( c l o s t r i d i u m ) 、 丁酸弧菌属等；其主要末端产物有：丁酸、乙酸、c o 和h 2 等。丁酸型发酵产氢的 反应方程式可以表示如下： c 6 h 1 2 0 6 + 2 h 2 0 一2 c hc o o h + 2 c 0 2 + 4 h 2( 1 3 ) c 6 h 1 2 0 6 _ c h 3 c h 2 c h 2 c o o h + 2 c 0 2 + 2 h 2( 1 4 ) 丁酸型发酵产氢过程中，葡萄糖经e m p 途径生成丙酮酸，丙酮酸脱羧后形成 羟乙基与硫胺素焦磷酸酶的复合物，该复合物接着将电子转移给铁氧还蛋白 ( f e r r e d o x i n ，简写为f d ) ，还原的铁氧还蛋白被铁氧还蛋白氢化酶重新氧化，产生 分子氢【9 】。可溶性碳水化合物( 如蔗糖、乳糖、葡萄糖、淀粉等) 的发酵常以丙酸型 4 硕上学位论文 发酵为主，发酵中主要末端产物为丁酸、乙酸、h 2 ，c 0 2 和少量的丙酸【1 1 。14 1 。丁酸 型发酵主要是在梭状芽抱杆菌属( c l o s t r i d i u m ) 的作用下进行的，其中有丁酸梭状芽 袍杆菌( cb u t y r i c u m ) 和酪丁酸梭状芽抱杆菌( ct y r o b u t y r i c u m ) 。解糖梭状芽抱杆 菌属发酵葡萄糖为丁酸和乙酸，其中是以中间产物乙酞c o a 作为分叉点的。产乙 酸的生化反应式如下： c 6 h 1 2 0 6 + 4 h 2 0 + 2 n a d + + 4 a d p + 4 p i _ 2 c h 3 c o o + 2 h c 0 3 + 2 n a d h + 2 h 2 + 6 h + + 2 h c 0 3 。+ 4 a t p ( 1 5 ) 由于产乙酸过程将生成大量的n a d h + h + ，当乙酸产率较大时，可导致 n a d h + h + 大量地过剩，同时乙酸形成过多的酸性末端产物，常使p h 值很低而产 生负反馈作用。从产乙酸反应式和过程可以看出，产乙酸过程会部分减少 n a d h + h + 的量，同时也会减少发酵产物中的酸性末端，所以会出现产乙酸过程和 丁酸循环机制藕联，呈现了丁酸型发酵，这对加快葡萄糖的代谢过程有促进作用。 在丁酸型发酵的末端平衡中的丁酸与乙酸m o l 数值之比( m b u m a 。) 约为2 ：l 。 任南琪等1 1o 】分析了丁酸型发酵的末端平衡中的丁酸与乙酸m o l 数值之比，其结果 与理论的发酵产物值相吻合，提出了如下反应式： 5 c 6 h 1 2 0 6 + 12 h 2 0 + 2 n a d + + 16 a d p + i6 p i c h 3 c h 2 c h 2 c o o 。+ 2 c h 3 c 0 0 。+ 10 h c 0 3 + 2 n a d h + 10 h 2 + 18 h + + 16 a t p ( 1 6 ) ( a g o 一2 5 2 3 k j m o l 葡萄糖，p h = 7 0 ，t = 2 9 8 15 k ) k i s a a l i t a 等5 】采用含乳糖的人工底物进行产酸发酵试验研究，实验结果表明， p h 对m b u m a 。值的影响显著。当p h 为4 0 时，m b u m a c 值约为2 ：l ，但当p h 达到5 5 以 上时，酸性末端产物己不是限制因素，因而m b u m a 。值较低，并且乙酸的产生和乙 酸的减少主要通过与丙酸或产乙醇过程相藕连。 任南琪i l0 j 用糖蜜人工废水在反应器内进行发酵，实验结果表明，当p h 为5 2 时，m b u m a c = i 5 ，随着p h 降低，m b u m a c 值减小，仅为0 0 8 0 3 8 ，出现了产乙醇 过程。 ( 2 ) 丙酸型发酵 污水厌氧生物处理中，含氮有机物( 如酵母膏、牛肉膏、明胶等) 的酸性发酵 常发生丙酸型发酵。难降解碳水化合物，如纤维素的厌氧发酵过程也常呈现丙酸 型发酵【1 6 17 1 。与产丁酸途径相比，产丙酮酸途径有利于n a d h + h + 的氧化且还原 力较强。丙酮酸发酵的特点是气体产量较少，甚至无气体产生，主要发酵末端产 物为丙酸和丁酸。丙酸型发酵主要参与的细菌是丙酸杆菌属( p r o p i o n i b a c t e r i u m ) 。 丙酸的产生不经过乙酞c o a 旁路，而是由丙酮酸发酵形成，其中包括部分t a c 循 环机制，由于丙酸杆菌属无氢化酶，因而无h 2 产生。在丙酸型发酵中，产乙酸过 程中释放的过量n a d h + h + 通过与产丙酸途径藕连而得以再生，丙酸和乙酸摩尔产 率比值( m p r m n ) ) 理论上为1 。其反应过程如下； c 6 h 1 2 0 6 + h 2 0 + 3 a d p + 1 6 p i - - * c h a c h 2 c o o 。+ c h 3 c o o 。+ h c 0 3 + 3 h + + h 2 + 3 a t p 污泥厌氧发酵产氧的影响闪素分析 ( 1 7 ) ( g o