（环境科学专业论文）厨余厌氧发酵制氢基础研究.pdf

at h e s i si ne n v i r o n m e n t a ls c i e n c e b a s i cr e s e a r c ho nh y d r o g e np r o d u c t i o n f r o mf o o dr e s i d u e sb ya n a e r o b i c f e r m e n t a t i o n b yl i uy a n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rw u w e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 9 ，、 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经 发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：硝挖 日 期：郴1 一o 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名： 签字日期： 两年口 导师签名： 签字日期： ，叠 。a - 东北大学硕f j 学位论文 摘要 厨余厌氧发酵制氢基础研究 摘要 本论文利用厌氧发酵技术，以污泥为菌种来源，厨余为基质，通过开展间 歇实验的方法探讨了污泥的预处理方法对产氢的影响，氢气发生特性及影响因 子对氢气发生的影响，并在总结最佳预处理方法及条件的基础上，通过开展连 续式发酵制氢、制甲烷实验，探讨了在同一系统中同时实现两种清洁气体生产 的可行性，促进了生物质废弃物的高效利用。 论文在以曝气污泥为接种物，米饭为主要成分的模拟厨余和南湖底泥为底 物，进行了厨余间歇式厌氧发酵产氢的研究。在利用热、酸、碱三种预处理方 法对污泥进行预处理的对比研究中发现接种物热处理8 0 + l5 m i n 时产氢效 果最好，发酵制氢延迟时间九、最大产氢速率、底物转化率、最大氢产量分别 为：1 5 3 2 h 、6 4 5 2 m l h 、6 9 6 8 m l g c o d 、3 4 8 4 m l ，相对于未处理情况，底 物转化率提高了9 2l 倍。三种预处理方法中，热预处理和酸预处理延迟时 间相当，而碱处理延迟时间较热、酸预处理推迟了近1 4 h 。热、碱预处理方 法产气中没有甲烷检出，酸预处理产气中有甲烷检出。 关于缓冲剂的添加量对发酵产氢的影响的研究表明：1 5 添加量的产氢效 果最好，发酵制氢延迟时间九、最大产氢速率、底物转化率、最大氢产量分别 为：1 2 3 4 h 、1 0 4 0 1 m l h 、1 0 9 1 2 m l g c o d 、6 4 5 6 m l ，其底物转化率为未添 加体系的1 4 3 倍。 论文在总结间歇实验结果的基础上，以北部污水处理厂曝气污泥为接种 物，外招餐厅的厨余和南湖底泥为底物，进行厨余连续式厌氧发酵制氢及产氢 余物甲烷化的研究，结果发现：过高的底物浓度使系统酸化，最佳底物浓度 为2 3 9 l ，水力停留时间为5 0 h 。最佳底物浓度下延迟时间九，最大产氢量、 最大比产氢速率及产氢率分别为：3 0 4 、4 3 6 2 5 m l 、2 6 8 7 m l g v s h 、 4 9 4 6 m l g v s 。运行过程中p h 呈现出先下降再上升的现象，o r p 运行稳定 后在18 7 2 5 8 m v 范围内波动。出水组成乙醇和乙酸占出水组成的8 0 左 右，且浓度相当，为典型的乙醇型发酵。 t t 东北大学硕十学位论文 摘要 另外，在采用湖泥作为接种物，利用产氢余物进行甲烷化时，延迟时间较 短为8 7 4 d ，最大产甲烷量及产甲烷率分别为15 9 5 7 3 m l 、3 6 2 6 7 m l g v s ，最 高甲烷浓度为7 3 5 。 关键词：厨余；发酵产氢；预处理；缓冲剂；甲烷 - 4 1 东北大学硕十学位论文 a b s t r a c t b a s i cr e s e a r c ho nh y d r o g e np r o d u c t i o n f r o mf o o dr e s i d u e sb ya n a e r o b i c f e r m e n t a t i o n a bs t r a c t i n t e r m i t t e n t h y d r o g e np r o d u c t i o nb y a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o no ff o o d r e s i d u e sa n da n a e r o b i cm i c r o o r g a n i s mo b t a i n e df r o ms l u d g eh a sb e e nc o n d u c t e d i nt h i sa r t i c l et o i n v e s t i g a t e t h ee f f e c t so f s l u d g ep r e t r e a t m e n t a n d e n v i r o n m e n t a lf a c t o r s c o n t i n u o u sh y d r o g e na n dm e t h a n ep r o d u c t i o nw a s c a r r i e do u to nt h eb a s i co ft h eb e s ts l u d g ep r e t r e a t m e n ta n dc o n d i t i o nt o s i m u l t a n e o u s l ya c t u a l i z ef e a s i b i l i t yo ft w ok i n d s o fc l e a ng a sp r o d u c t i o n ，a n d s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dt h ee f f i c i e n c yo fo r g a n i cr e s i d u e su s i n g t h ei n t e r m i t t e n th 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 dw i t ha e r a t e ds l u d g e a si n o c u l a n t s ，s i m u l a t e df o o dr e s i d u e sa n dl a k e s l u d g ea ss u b s t r a t e c o m p a r e d w i t ht h r e ed i f f e r e n t p r e t r e a t m e n tm e t h o d s ( t h e r m o - p r e t r e a t m e n t ， a c i d p r e t r e a t m e n t ，a l k a l i n ep r e t r e a t m e n t ) ，i ti s f o u n dt h a t ：h y d r o g e np r o d u c t i o n i n o c u l a t e dt h e r m o p r e t r e a t m e n ta t8 0 f o r15 m i ni st h eh i g h e s t t h el a g - p h a s e t i m e 九，t h em a x i m a lh y d r o g e nr a t e ，t h eh y d r o g e np o t e n t i a la n dt h em a x i m a l h y d r o g e ny i e l d a r e ：15 3 2 h ，6 4 5 2 m l h ，6 9 6 8 m l g c o d ，3 4 8 4 m l ，a n dt h e h y d r o g e np o t e n t i a li n c r e a s e db y9 2 1t i m e sc o m p a r e dw i t hn op r e t r e a t m e n t t h el a g - p h a s et i m e 九o fa l k a l i n ep r e t r e a t m e n tp o s t p o n e 14 hc o m p a r e dw i t h o t h e r s t h em e t h a n ei sf o u n di nb i o g a sp r o d u c t i o nw i t ha c i dp r e t r e a t m e n t e f f e c t so fb u f f e rr e a g e n td os a g e so nf 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 w e r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh y d r o g e np r o d u c t i o ni n o c u l a t e dw i t h t h ed o s a g e so f1 5 i st h eh i g h e s t t h el a g - p h a s et i m e 九t h em a x i m a lh y d r o g e n r a t e ，t h eh y d r o g e np o t e n t i a la n dt h em a x i m a lh y d r o g e ny i e l da r e ：12 3 4 h ， i v 东北人学硕士学位论文a b s t r a c t 1 0 4 0 1 m l h ，1 0 9 1 2 m l g c o d ，5 4 5 6 m l ，r e s p e c t i v e l y t h e h y d r o g e np o t e n t i a l i n c r e a s e db y1 4 3t i m e sc o m p a r e dw i t hn oi n o c u l a t i o no fb u f f e rr e a g e n t b a s e do nt h er e s u l t so ft h ei n t e r m i t t e n te x p e r i m e n t ，c o n t i n u o u sh y d r o g e n a n dm e t h a n ep r o d u c t i o nh a sb e e nc a r r i e dw i t ha e r a t e ds l u d g ea si n o c u l a n t s ，f o o d r e s i d u e sa n dl a k e - s l u d g ea ss u b s t r a t e t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h ee x c e s s s u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o nc a nm a k e s y s t e ma c i d i f i e d ，a n d t h eb e s ts u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o ni s2 3g c o d l ，h r ti s50 h w i t ht h es u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o no f 2 3 9 c o d l ，t h el a g - p h a s et i m e 九，t h em a x i m a lh y d r o g e nr a t e ，t h eh y d r o g e n p o t e n t i a l a n dt h em a x i m a l h y d r o g e ny i e l da r e ：3 0 4 h ，2 6 8 7 m l g v s h ， 4 9 4 6 m l g v s ，4 3 6 2 5 m l w i t ht h ep r o c e s so fa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ，t h ep h v a l u ep r e s e n t sp h e n o m e n o nw h i c hd r o p sf i r s t l ya n dt h e nr i s e s t h eo r pv a l u e m o v e si nt h er a n g eo f 一18 7 - 2 5 8 m v t h ep e r c e n t a g e so fg r a i na l c o h o la n d 人 硝 东北大学硕上学位论文 目录 目录 声明i 摘要i i a b s t r a c t 。i v 第一章绪论。l l 。1 制氢技术的研究现状1 1 1 1 物理化学方法1 1 1 2 生物制氢技术l 1 2 厌氧发酵制氢3 1 2 1 厌氧发酵类型3 1 2 2 厌氧发酵制氢的影响因素5 1 3 研究背景1 1 1 4 研究的目的和意义13 1 5 论文的主要研究内容1 3 第二章实验方法1 4 2 1 技术路线1 4 2 2 材料与方法1 5 2 2 1 实验原料15 2 2 2 底物污泥及预处理15 2 2 3 接种污泥及驯化过程15 2 2 4 主要仪器l6 2 3 实验装置17 2 3 1 间歇式厌氧发酵制氢实验装置17 2 3 2 连续式厌氧发酵制氢产甲烷装置18 2 4 分析项目和方法2 0 2 4 1 厨余和接种物的分析项目和分析方法2 0 2 4 2 实验主要检测项目与分析方法2 1 2 4 3 实验指标2 6 第三章间歇式厌氧发酵制氢研究2 7 3 1 厌氧发酵制氢的污泥预处理方法对比实验2 7 东北入学硕士学位论文 目录 3 1 1 实验原料2 7 3 1 2 实验方案2 8 3 1 3 三种预处理方法机理2 9 3 1 4 不同预处理效果比较与分析2 9 3 1 5 结论3 8 3 2 缓冲剂对厨余发酵制氢影响的研究3 9 3 2 1 实验原料3 9 3 2 2 实验方案3 9 3 2 3 实验结果与讨论4 0 3 2 4 小结4 3 第四章连续式发酵制氢及制氢余物甲烷化的研究4 5 4 1 连续式厌氧发酵制氢的研究4 5 4 1 1 实验原料4 5 4 5 对累积产气量的影响4 6 浓度下启动反应器中各参数分析4 8 ! i ( ； 化研究5 7 5 7 5 8 与分析5 8 ( ；2 6 4 ( ；6 7l 东北人学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 制氢技术的研究现状 氢气作为一种理想的绿色能源，并不自然的存在于地球上。科学家一直在 对氢能源的开发研究技术进行着不懈的努力。现有的制氢技术可分为物理化学 方法和生物方法两大类【1 ，2 1 。 1 1 1 物理化学方法 氢气可以通过很多方法制取，包括电解水、光解水、热解水、热化学分解 水和热催化重整、热解、气化、汽化富氢有机化合物等 1 - 4 】。当前，9 0 以上的 氢气来自于天然气、轻油馏分的气化重整工艺，电解水、煤气化和甲烷重整也 是工业上常用的方法【4 】。但这些方法大都以化石燃料为能源，属高能耗产业， 且在生产过程中产生二次污染，从经济和环境保护角度考虑，存在着极大弊端。 不利于环境保护与社会的持续发展。 1 1 2 生物制氢技术 生物制氢是把自然界储存于有机化合物( 如植物中的碳水化合物、蛋白质 等) 中的能量通过高效制氢细菌的作用转化为氢气的一种技术方法。在现有的 生物制氢技术研究中，主要集中在利用光合生物制氢和厌氧菌发酵制氢等两种 技术的开发和研究【5 , 6 1 。 生物制氢工艺基本上都在常温常压下进行，具有能耗低、对环境无害、而 且还可利用有机废物这种用之不竭的可再生能源等优点7 1 。生物制氢技术作为 一种符合可持续发展战略的课题，正逐渐成为各发达国家和发展中国家的短期 和长期发展战略目标。氢能源将与人类生产、生活关系越来越密切，发展生物 制氢技术势在必行。 1 1 2 1 光合细菌制氢 白1 9 4 2 年g a f f r o n 和r u b i n 8 1 发现一种栅列藻属绿藻( s c e n e d e s m a ss p ) 制氢 以来，研究者发现进行光合作用制氢的微生物可以分为两大类：藻类和光合细 菌( p s b ) 。 光合细菌制氢的机制，一般认为是光子被捕获到光合作用单元，其能量被 东北人学硕士学位论文第一章绪论 送到光合反应中心，进行电荷分离，产生高能电子并造成质子梯度，从而形成 腺苷三磷酸( a t p ) 。另外，经电荷分离后的高能电子产生还原型铁氧还原蛋白 ( f d r e d ) ，固氮酶利用a t p 和f d r e d 进行氢离子还原生成氢气。 微藻光制氢的过程可以分为两个步骤：首先微藻在厌氧条件下通过光合作 用分解水，产生质子和电子，并释放氧气；然后微藻通过特有的制氢酶系( 蓝 藻通过固氮酶系和绿藻通过可逆制氢酶系) 的电子还原质子释放氢气。 目前，光生物制氢研究主要集中于光合制氢机理的研究、参与制氢过程的 酶结构和功能研究、制氢抑制因素的研究、制氢电子供体的研究、高效制氢基 因工程菌研究和实用系统的开发研究等。在这些发展方向中，高效制氢基因工 程菌的构建以及光合反应器等的开发具有较大的研究价值。6 0 多年来，人们对 光合法生物制氢技术开展了大量的研究工作，但是效果并不理想。光合细菌的 产氢能力及其对光能的转化效率都偏低【9 】，制氢代谢过程的稳定性差，而且光 合法制取氢气需要充足的光源，这些问题都限制了光生物制氢技术的发展。因 此光生物制氢技术要达到大规模的工业化生产水平还要解决很多问题。 1 1 2 2 厌氧发酵制氢 发酵制氢是在厌氧条件下，厌氧发酵制氢细菌在适宜的生存条件下发酵有 机底物( 碳水化合物如淀粉、糖类及纤维素等，蛋白质，脂肪等) 而获得有机酸( 乙 酸、丁酸等) 和乙醇并产生c 0 2 和h 2 的生物化学过程，是由水解酸化菌、产氢 菌等微生物共同参与的序列反应。这些微生物包括专性厌氧微生物 c l o s t r i d i u m 、b a c i l l u s 和m e t h y l o t r o p h s ，兼性厌氧微生物e s c h e r i c h i a 和 e n t e r o b a c t e r 【l0 1 。 微生物厌氧发酵制氢的代谢途径：在厌氧发酵中，葡萄糖首先经糖酵解 ( e m p ) 等途径生成丙酮酸，合成a t p 和还原态的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 ( n a d h ) 。然后厌氧发酵细菌将丙酮酸转化为乙酰辅酶a ( c o a ) ，生成氢 气和二氧化碳。丙酮酸还可以转化为乙酰c o a 和甲酸，而甲酸在厌氧发酵细 菌的作用下转化为氢气和二氧化碳。在不同条件下乙酰c o a 最终被不同微生 物转化为乙酸、丁酸和乙醇。n a d h 用于形成丁酸和乙醇，剩余的n a d h 被 氧化为n a d + 并释放h 2 。乙酰c o a 形成丁酸和乙酸的过程伴随着a t p 合成， 为微生物活动提供能量。 近年来，随着全球能源供应的日趋紧缺、环境污染的日益加剧及“氢能经 济”的到来，厌氧发酵制氢技术得到了世界范围内的高度重视和广泛研究j ， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 进而获得了迅速的发展。在众多的制氢技术中，厌氧发酵过程采用传统的发酵 工艺进行产氢菌厌氧发酵，相对于其它制氢方法在许多方面表现出更多的优越 性【1 ，1 2 1 ：不需要消耗化石原料，可生物降解的工农业有机废料都可能成为发酵法 生物制氢的原料，来源广泛且成本低廉；发酵制氢细菌的生长速率快且无需光 源，不但可以实现持续稳定制氢，而且反应装置的设计、操作及管理简单方便； 发酵生物制氢设备的反应容积可达到足够大，从而可以从规模上提高单台设备 的产氢量；兼性的发酵制氢细菌更易于保存和运输，具有废物利用、节省能量 消耗、净化环境和生态平衡的重要意义【l 2 】。所以目前发酵法生物制氢技术比 其它制氢技术发展更快，具有实现规模化工业化生产的前景。 1 2 厌氧发酵制氢 1 2 1 厌氧发酵类型 根据末端发酵产物组成，厌氧发酵类型可分为三类：丁酸型发酵、丙酸型 发酵和乙醇型发酵1 3 1 ，主要发酵类型及其产物见表1 1 1 1 4 , 15 】。下面分析三种发 酵类型的代谢途径。 。 表1 1 主要发酵类型及其产物 t a b 1 1t h es t y l e sa n dp r o d u c to ff e r m e n t a t i o n 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 丁酸型发酵( b u t y r i ca c i d - t y p ef e r m e n t a t i o n ) 可溶性碳水化合物( 如蔗糖、乳糖、葡萄糖、淀粉等) 的发酵常以丁酸型发 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，其中丁 酸和乙酸含量约占总挥发性有机酸含量的7 0 ，气相中h 2 含量为3 0 4 0 【14 1 。丁酸型发酵主要是在梭状芽孢杆菌属( c l o s t r i d i u m )作用下进行的， 如丁酸梭状芽孢杆菌( c l o s t r i d i u m ) 和酪丁酸梭状芽孢杆菌( c b u t y r i c u j ) 。梭状芽 孢杆菌属发酵葡萄糖为丁酸和乙酸，其中以中间产物c o a 作为分叉点 1 4 - 1 6 】。 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 + 6 h + + 2 h 2 + 4 a t p ( 1 1 ) 由于产乙酸过程将生成大量n a d h + h + ，当乙酸产率较大时，可导致 n a d h + h + 大量过剩，同时形成过多的酸性末端产物，常使p h 值降低而产生负 反馈作用。产丁酸过程会部分减少n a d h + h + 的量，同时也会减少发酵产物中 的酸性物质，所以会出现产乙酸过程和丁酸循环机制耦联，呈现丁酸型发酵， 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丁酸与乙 酸摩尔数值之比约为2 ：l 。任南琪等【1 6 1 分析了丁酸型发酵末端平衡中的丁酸与 乙酸摩尔数值之比，其结果与理论的发酵产物值相吻合，提出如下反应式： 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 - - - 4 c h 3 c h 3 c h 3 c o o + 2 c h 3 c o o 。 + 1 0 h c 0 3 + 2 n a d h + 1 8 h + + 1 0 h 2 + 1 6 a t p ( 1 2 ) ( 2 ) 丙酸型发酵( p r o p i o n i ca c i dt y p ef e r m e n t a t i o n ) 含氮有机物( 如酵母膏、肉膏、明胶等) 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 4 , 15 】。与产丁酸途径相比， 产丙酸途径有利于n a d h + h + 的氧化，且还原力较强。丙酸型发酵的特点是气 体产量较少，甚至无气体产生，主要末端发酵产物为丙酸和乙酸。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 e t e r i u m ) 。 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 3 c h 3 c o o 。+ c h 3 c o o 。+ h c 0 3 。+ 3 h + + h 2 + 3 a t p ( 1 3 ) ( 3 ) 乙醇型发酵( e t h a n o lt y p ef e r m e n t a t i o n l 任南琪【1 7 1 在利用有机废水发酵过程中，发现了乙醇型发酵。与传统乙醇发 酵不同，传统乙醇发酵是由酵母菌属等将碳水化合物经e m p 或e d 途径生成 东北大学硕 ：学位论文 第一章绪论 丙酮酸，再由丙酮酸经乙醛生成乙醇的过程，发酵产物为乙醇和c 0 2 ，无h 2 产生。而任南琪在实验中发现，通过对产酸发酵反应器内的生物相进行观察， 并未发现酵母菌，而且发酵气体中含有大量的h 2 【18 1 ，并将这种发酵类型定义 为乙醇型发酵，主要末端发酵产物为乙醇、乙酸、h 2 、c 0 2 和少量丁酸，其中 乙醇和乙酸含量占总挥发酸含量的8 0 以上，气相中的h 2 含量为4 2 - - 一5 8 。 1 2 2 厌氧发酵制氢的影响因素 同厌氧消化一样，发酵制氢也是一个由多种微生物共同参与的复杂的生物 化学序列反应过程，其影响因子很多，主要有：微生物种类及其存在方式( 量) 、 有机营养物、无机营养物、p h 、温度、水力停留时间( h r t ) 、操作方式及氧化 还原电位( o x y g e nr e d u c t i o np o t e n t i a l ，o r p ) 等，这些影响因子有的是从机理上 影响整个过程，还有的是几个因子相互耦合影响整个过程。在发酵制氢中，上 述影响因子可归结为两类：生物因子和非生物因子，并可将之合称为发酵制氢 的生态因子。其中，生物因子和非生物因子之间是相互作用、相互影响的，且 非生物因子通常是通过影响生物因子来影响发酵制氢的。近年来，如何强化上 述生态因子使生物制氢系统高效稳定运行并提高系统产氢能力是众多研究者 一直追求的目标，并取得了一定的进展。 1 2 2 1 发酵制氢生物因子的研究进展 目前，已发现的发酵制氢细菌种类很多。厌氧发酵制氢微生物主要包括专 性厌氧和兼性厌氧的两类微生物，不同类的或同类但不同属的产氢菌其制氢效 果往往不同。 ( 1 ) 纯菌种的研究进展 厌氧发酵制氢技术早期的研究 1 0 , 1 9 2 0 】主要关注于纯厌氧菌如 e n t e r o b a e t e r 、s p e r g i l l u s t e r r e u s 和c l o s t r i d i u m 将碳水化合物转化为氢气。 k h a n a l s k 【2 1 】利用纯菌种c l o s t r i d i u mp o s t e u r i a n u m 降解葡萄糖，氢气的产量 为1 5 t o o lh 2 m o l 葡萄糖； 我国学者任南琪等【2 2 1 研究发现了新一类的发酵制氢细菌，通过16 sr d n a 碱基序列的测定，分析得到了r e n n a n q i l y f l 、r e n n a n q i l f 3 和b 4 9 等菌种，并 将这些微生物命名为b i o h y d r o g e n b a c t e r i u mg e n u ss p ，极大丰富了产氢菌种。 但细菌纯化和细胞固定化技术存在较多缺点，如包埋技术复杂，且不易选 择合适的包埋剂；利用纯菌种和固定技术的生物制氢方法，发酵条件要求严格， 东北入学硕士学位论文第一章绪论 纯菌种的分离和提纯技术条件苛刻且不易批量获得，纯菌种分离成本昂贵，所 以只适合于实验室研究；小型试验易取得瞬间最高产氢率，要长期运行并连续 生物制氢、保持较高的产氢量和氢浓度，技术难度高，很难取得突破。上述原 因限制了该项制氢技术的应用和规模化生产。 ( 2 ) 混合菌种的研究进展 由于不同菌种利用的最佳底物也往往各不相同，因此不同菌种混合培养可 以提高如餐厨垃圾这样复杂的有机物的制氢效率，这一点在众多的研究中得到 了证实。 y o k o i 等1 2 3 1 利用丁酸梭菌、产气肠杆菌、类红球菌共同降解甜土豆淀粉残 东北大学硕一i 二学位论文第一章绪论 形成生物膜和投加阳离子聚丙烯酞胺( p a m ) 形成颗粒污泥两种细胞固定化方 法，发现颗粒污泥更适合于连续流制氢工艺。 综上可知：由于发酵底物的复杂性、微生物生存环境的差异性、发酵体系 运行的稳定性等使得混合菌种比纯菌种发酵制氢更具有实用意义。并且，对混 合菌种进行适当的预处理，或固定化细胞的生成系统能强化制氢过程。 表1 2 国内外污泥预处理方法的研究概况一览表 t a b 1 2c o m p a r i s o na m o n gv a r i o u sp r e t r e a t m e n tt e c h n i p u e sf o rp r o d u c t i n gb i o g a so r h y d r o g e nf r o mp r i m a r yo rs e c o n d a r ys l u d g e 1 2 2 2 发酵制氢非生物因子的研究进展 影响发酵制氢的关键非生物因子主要有底物因子和环境因子，其中，关键 底物因子主要包括底物及底物浓度等，而关键环境因子主要包括温度、p h 、氧 化还原电位、金属离子浓度、水力停留时间、碱度等。 ( 1 ) 发酵底物的研究进展 目前用于发酵制氢的底物分为单一化合物和复合化合物两类。单一化合物 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、蔗糖、淀粉、纤维素、蛋白胨等；复合化合物如 糖蜜、活性污泥、有机废水、城市固体废弃物等。由于不同有机营养物在组成、 分子结构和理化性质等方面存在差异，因而其发酵制氢途径也有所不同。通常， 结构简单、分子量小的化合物可直接被微生物利用转化为氢，而复杂的大分子 化合物则首先必须被分解为小分子，然后才能被微生物转化为氢。碳水化合物 比蛋白质、脂肪易被利用。另外，有机营养物浓度对发酵制氢也有影响。y u 等【37 j 采用玉米酿酒废水进行厌氧发酵制氢时，发现当废水的c o d 浓度从1 4 9 l 升高到3 6 9 l 时，氢气的比产生速率从3 6 1l h 2 g v s s m o l 己糖升高到 8 1 2 l h 2 g v s s m o l 己糖，但氢气产率却由1 8 m o lh 2 m o l 己糖下降到1 7 m o l h 2 m o l 己糖。 近年来将厌氧发酵制氢与废水或有机固体废弃物处理相结合的研究逐渐 增多。王江辉等【38 】利用厌氧消化污泥对含糖废水、淀粉废水和养殖废水为发酵 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 着底物浓度的增加，产氢量逐渐降低。 ( 3 ) p h 值 p h 值对氢化酶活性及代谢途径影响很大，是发酵制氢的关键非生物因子 之一。微生物对p h 值的波动非常敏感，即使在其生长p h 值范围内的突然变 化也会引起微生物活性的明显下降。p h 值对发酵制氢的影响往往与细胞内 n a d h + n a d + 动态平衡和产氢菌的生理条件有关。p h 值会影响制氢微生物细 胞内氢化酶活性、代谢途径、o r p 、底物的可利用性、代谢产物及其形态等。 己报道的最佳制氢p h 值差异较大。 l a y 等【4 2 1 用淀粉进行连续发酵、k h a n a l 等【2 1 1 用蔗糖和淀粉进行间歇发酵 的最佳p h 值分别为4 7 5 7 、5 5 5 7 。左宜等【4 3j 以经预热处理后的河底污 泥对果糖为基质进行制氢、王江辉等3 8 1 对含糖废水、赵玉山等 4 4 1 对以河底污 泥为混合厌氧微生物的制氢最佳p h 值分别为6 5 、4 6 、5 5 。 樊耀亭【4 5 】等以牛粪堆肥为菌种来源，固定底物浓度为5 9 l ，考察了底物 初始p h 值对累积产氢量的影响。结果表明：当以蔗糖为底物，其初始p h = 5 0 6 。0 和以淀粉为底物，其初始p h = 7 o 8 0 时，二者所对应生物制氢稳定阶段 的p h 值均在4 5 5 5 的范围内。 可以看出，各国学者对于发酵制氢的最佳p h 值的说法不一，这主要可能 是由于发酵基质的复杂性及产氢菌群的多类性所致。但是一般认为生物发酵制 氢的最佳p h 值范围在5 0 7 0 之间【4 6 1 。总的来说，p h 值必须在酸性范围内 以抑制产甲烷菌等耗氢菌的生长，但不能低于4 。已有的研究 2 1 , 4 2 - 4 6 均表明 p h 值低于4 时产氢菌的生长及制氢过程都受到明显的抑制。故p h 值为4 是发 酵制氢工艺p h 值控制的一个下限。 ( 4 ) 氧化还原电位 各种微生物对氧化还原电位的要求是不同的。氧化还原电位一般简写为 o r p ，一般好氧微生物要求o r p 为+ 3 0 0 - - - + 4 0 0 m v ，o r p 在+ 1 0 0 m v 以上好氧 微生物可以生长；兼性厌氧微生物在o r p 为+ 10 0 m v 以上时进行有氧呼吸， o r p 在+ lo o m v 以下时进行无氧呼吸；专性厌氧细菌要求o r p 为一2 0 0 2 5 0 m v ，专性厌氧的产甲烷细菌要求o r p 为3 0 0 , - , - 6 0 0 m v 。在王勇【1 8 1 等人实 验过程中，对两种发酵过程的o r p 进行监测，结果发现丁酸型发酵过程中的 o r p 值在3 5 0 4 2 0 m v 之间，乙醇型发酵过程中的o r p 值在18 0 - 2 6 0 m v 之间变化。 东北大学硕j ? 学位论文第一章绪论 厌氧微生物的生存要求较低的氧化还原电位( o r p 值) 环境的原因是它们的 一些脱氢酶系包括辅酶i 、铁氧还蛋白和黄素蛋白等要求低的o r p 值环境才能 保持活性。环境中的氧化还原电位可受多方面因素的影响：第一，氧化还原电 位受氧分压的影响，氧分压高，氧化还原电位高；氧分压低，氧化还原电位低； 第二，微生物对有机物的氧化及代谢过程中所产生的氢、硫化氢等还原性物质， 会使环境中的o r p 值降低；第三，环境中的p h 值也能影响氧化还原电位：p h 值较低时，氧化还原电位高；p h 值高时，氧化还原电位低。 ( 5 ) 金属离子浓度 林明【4 7 1 等关于几种金属离子对高效制氢细菌产氢能力的促进作用的研究 表明，在一定浓度下( n i 2 + m 9 2 + 。万伟等【4 8 】 研究了m 9 2 + 浓度对混合细菌发酵制氢的影响，发现当m 9 2 + 浓度为1m g l 时， 最大累积产氢量为2 3 3 6 m l 。洪天求4 9 1 以蔗糖为底物静态发酵制氢的实验研究 表明：当n a + 在1 0 0 0 - - 2 0 0 0 m g l 时，对制氢有促进作用。 ( 6 ) h r t ( 水力停留时间) h r t 是影响制氢发酵的重要环境因子，h r t 过低，发酵不充分、制氢不 完全；h r t 过高，体系可能过度酸化而使制氢下降。采用合适的h r t 能够达 到筛选优势产氢菌和淘汰竞争性菌及嗜氢菌的双重目的，有利于提高基质的氢 转化率。 王江辉等【3 8 1 对含糖废水的研究表明制氢酸化反应器的较佳h r t 为3 5 5 o h 。c h e n 等【5 0 】通过改变h r t 来筛选产氢菌c p a s t e u r i a n u m ，在p h 值6 7 下 以蔗糖为基质，当h r t 为8 h 时，该菌的产氢速率最大，当h r t 降到6 h 时则 发生流失现象。当h r t 从13 3 h 降到3 h 时，氢产量从4 9 l h 2 l d 增加到 2 6 9 l h 2 l d ，h r t 继续降到2 h ，氢产量则下降到2 0 8 l h 2 l d 。李建政【5 1 1 在小 试的基础完成了发酵糖蜜废水制氢的中试研究，结果表明h r t 为4 6 h 时反 应器最大持续产氢能力可达5 7 m 3 m 3 d ，其中去除单位k g c o d 可获得2 6 m o l 的产氢量。 ( 7 ) 碱度 发酵制氢微生物在代谢有机物释放氢气的同时，也产生了大量的乙醇和有 机挥发酸( v f a ) ，而v f a 在反应器中过多积累会对微生物代谢产生显著抑制作 用。通过添加碱度，可以减轻反应器中挥发酸积累，提高产氢量。任南琪1 7 】 东北大学硕上学位论文 第一章绪论 等在以白脱糖为底物，碱度为3 0 0 m g l 的实验中- 叵速产气段为7 0 k g c o d m 3 d 以上，v m a x 为0 8 8 l 发酵气l h 。而当调整进水碱度为5 0 0 m g l 后，恒速产气 段提高至8 0 k g c o d m 3 d 以上，v m 。x 高达o 9 7 l 发酵气l h ，产气率提高1 0 。 ( 8 ) 反应温度 反应温度的不同对厌氧制氢过程有明显影响，清华大学左宜【4 3 】等在起始 p h 值为6 5 ，基质的c o d 浓度为2 0 0 9 l 的条件下，以木糖( 五碳糖) 、葡萄糖 ( 六碳糖) 、蔗糖( 双糖) 、淀粉( 多糖) 为基质，分别研究了温度为2 5 c ，3 5 ，4 5 ， 5 5 对厌氧制氢过程的影响。实验结果表明，最佳的厌氧制氢温度是3 5 ，在 此温度下，以葡萄糖、蔗糖、淀粉、木糖为基质时的累积产氢量分别为 3 2 3 7 5 m l h 2 g t v s ，3 2 7 5 m l h 2 g t v s