（应用化学专业论文）生物质（牛粪、海带）厌氧发酵产氢的研究.pdf

郑州大学硕士学位论文：生物质( 牛粪、海带) 厌氧发酵产氢的研究 摘要 本文以牛粪堆肥、海带为产氢底物，以牛粪堆肥为天然厌氧产氢菌源，通过 厌氧发酵制备氢气，考察了p h 值、预处理条件、底物浓度对不同产氢底物产氢 能力的影响。实验结果表明：牛粪、海带发酵产氢的最佳初始p h 值和最佳底物 浓度分别为5 o 、6 5 ，7 0 酣、2 0 l ；牛粪用盐酸进行预处理效果较好，最佳盐 酸浓度为o 2 ，而海带则用浓度为1 0 的乳酸处理产氢效果最佳；在其最佳产氢 条件下，牛粪、海带的最大累积产氢量及最大氢浓度分别为1 9 m l h 2 g t v s 、 8 4 m 1 h 2 g t v s ，3 8 6 、3 2 。反应过程中没有检测到甲烷气体。使用修正的 g o m p e n z 方程对产氢过程进行描述，经过方程拟合，得到牛粪、海带的最大产 氢速率分别为1 1 m lh 2 ( g t v s h ) ，1 om lh 2 ( g t v s + h ) 。试验证实，预处理是提高 底物产氢能力的一个重要手段，针对不同底物的特性，采用适当的预处理可不同 程度地提高底物的产氢能力。经0 2 盐酸处理过的牛粪的产氢能力幽未处理时 的1 3 3m 1 h 2 g t v s 提高到1 9m l h 2 儋一t v s ；海带经乳酸处理后产氢能力大约为 未处理时的6 4 倍。 在批式试验的基础上，我们对牛粪产氢过程进行了小型放大，考察了产氢微 生物对牛粪的降解特性以及产氢体系的氧化还原电位( o r p ) ，实验结果表明： 发酵产氢过程伴随着挥发性脂肪酸( 乙酸、丙酸和丁酸) 和醇( 乙醇和丁醇) 的 生成，它们是发酵产氢代谢过程中主要副产物。本实验的产氢体系属丁酸型发酵， 发酵的末端产物主要为乙酸和丁酸，占液相发酵木端产物总量的7 8 8 1 ；在产 氢最大时期，o r p 大约为5 2 0 5 0 0 m v 。 关键词：氢气牛粪堆肥海带预处理厌氧发酵 郑州大学硕士学位论文：生物质( 牛粪、海带) 厌氧发酵产氢的研究 a b s t r a c t b i 0 1 0 西c a lh y d r o g e nw a sg e l l e r a t e d 丘o mc o wd 吼gc o n l p o s t a i l d k e l pb y a n a e r o b i cf 锄e n t a t i o n b a t c ht e s t sw e r ec a m e do u tt oa 1 1 a l y z ei n f l u e n c e so fs e v e r a l e n v i r o n m e n t a lf a c t o r so nb i o h y m o 目mp r o d u c t i o n 丘d md i f f e r e n ts u b s 仃a t e ss u c ha u sp h v a l u e ，c h e m i c a lp r e - t r e a t n l e n ta 1 1 ds u b s 仃a t ec o n c e n 仃a t i o n t l l ee x p 甜m e n t a lr e s u l t s s h o w e dt h a tt l l eo p t i m a li n i t i a lp hv a l u e so fb i o h y d r o g e np r o d u c t i o nf o mc o wd u n g c o m p o s t a n dk e l pw e r e5 o ，6 5 ，a n dt l l eo p t i m a lg u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o n sa r e7 0 l ，5 0 1 ，r e s p e c t i v e ly b e f o r et h er a wc o wd u i l gc o m p o s ta i l dk e l pw e r ed e 伊a d e db y m i c r o o r g a n i s m s ，f i r s tt h c yw e r ep r e t r e a t e dw i mo 2 h c la i l d lo l a c t i ca c i db y h e a t i n g3 嘶i n ，r e s p e c t i v e l y t h em a ) 【i m u m c u m u l a t i v eh y d r o g e i l y i e l d s a n d m a x i m u mh y d r o g e nc o n c e n t r a t i o n so fc o wd u n gc o m p o s t ，k e l pu n d e rt h eo p t i m a l c o n d i t i o n sw e r e19m 1 h 2 儋一t v s ，8 4m l h 2 g t v sa n d38 6 ，3 2 ，r e s p e c t i v e l y t h e r ew a sn os i 盟i f i c a i l tm e t l l a i l eo b s e r v e di nt h eb i o g a st h r o u 曲o u tm es t u d y t h e m a x i m u mh y d r o g e np r o d u c t i o nr a t e sw e r e1 1m 1h 2 ( 酊v s h ) ，1 0m lh 2 ( g t v s h ) b yc a l c u l a t i n g ，r e s p e c t i v e l y t b s tr e s u l t sc o n f i m l e dt h a tp r e t r e a t m e n ti sa ne a e c t i v e m e t h o di m p r o v i n gh y d r o g e np r o d u c t i o na b i l i t y f o rd i 毹r e n ts u b s t r a t e ，a p p r o p r i a t e p r e - t r e a t m e n tc a i li m p r o v em o r eo r1 e s sh y d r o g e np r o d u c t i o na b i l i t y f o re x 锄p l e ，t h e a c c u m u l a t i v eh y d r o g e n 姐e l di n c r e a s e do b v i o u s l y 仔o m131 3 m l h 2 g t v so fo r i 百n a l c o wi l u n gc o m p o s tt o19m l h 2 g - t v so fh c l p r e t r e a t m e n tc o wd u n gc o m p o s t ；a n d t h a to f p r e t r e a t e dk e l pw a s6 4t i m e sa sc o m p a r e dw i t hm a to f r a w k e l p b a s e do nt h er e s u l t so fb a t c ht e s t s ，b i o h y d m g e np r o d u c t i o n 丘o mc o wd u n g c o m p o s tw a sc 枷e do u ti n a5 - l i t e rs t i r r e d t a l l kr e a c t o r t h em e c h a n i s mo f b i o - d e g r a d a b i l i t yo fh y d r o g e n - p r o d u c i n gm i c r o o 略a 1 1 i s ma j l do x i d a t i o n r e d u c t i o n p o t e n t i a l ( 0 r p ) w e r ed i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o w e dv f a s ( a c e t a t e ，b u t y r a t ea n d p r o p i o n a t e ) a j l da l c o h o la r eg e n e r a t e da c c o m p a l l i e dw i t hh y d r o g e n - p r o d u c i n gp r o c e s s t h e ya r et h em a i nb y _ p r o d u c t si nt h em e t a b o l i s mo fh y d r o g e nf e r m e n t a t i o n t h et e s t r e s u l t ss h o wt h a tf e m e n t a t i o np m c e s sf r o mc o wd u n gc o m p o s ti s b u t y r a t e s t y l e f e 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 nw a sa c c o m p a n i e dw i t ht h ef o r m a t i o no fv f a s a n da l c o h o lw h i l eb o t ho ft h e mw e r et h em a i nb 弘p r o d u c t si n t h em e t a b o l i s mo f 郑州大学硕士学位论文：生物质( 牛粪、海带) 厌氧发酵产氢的研究 b i o h y d r o g e nf e 肌e n t a t i o n ，d 嘶n gw h i c hb u t y r a t ea i l da c e t a t ea c c o u i l t e df o ra b o u t 7 8 2 8l o ft h et o t a lb y - p r o d u c t s a ts t a b l eh y d r o g e np r o d u c t i o np e r i o d ，t h eo r p v a l u eo f - 4 5 0 5 0 0 m vw a sa l s oo b s e n ，e d k e yw o r d s ： h y d r o g e n ； c o wd 吼gc o m p o s t ； k e l p ；p r e 仃e a 缸1 1 e n t ； a 1 1 a e r o b i c f e n n e n t a t i o n 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切 法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：莓俾 如。占年方月药日 郑州大学硕士学位论文：生物质( 牛粪、海带) 厌氧发酵产氢的研究 1 1 选题背景 第一章引言 由于不可再生的化石能源的大量开采和使用，造成了严重的能源危机和环境 污染，给社会经济的持续发展和人类的生存带来了许多严重的问题。随着世界能 源新技术的进步及环保标准的日益严格，未来世界能源必将向清洁化的方向发 展，许多国家正在致力于研究开发不以化石燃料为基础的太阳能、风能、地热能、 海洋能、生物质能和氢能等替代能源。 在诸多新能源中，氢能作为一种理想的清洁能源而倍受科学家的关注，在能 源的开发和利用上，作为“二次能源”已成为各国在能源方面的研究热点，被能 源界誉为“未来能源”，将成为2 1 世纪应用最为广泛的能源之一。这都是因为 氢能具有许多优于其它能源的特点 卜5 】： 1 ) 所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出1 0 倍，因 此，在能源工业中氢气是极好的传热载体； 2 ) 除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的， 为1 4 1 0 5 k j l ( g ，是汽油发热值的3 倍； 3 ) 氢气燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高， 燃烧速度快； 4 ) 氢气，本身无毒，与其它燃料相比氢气燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化 氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等 对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境，可达 到污染的“零排放”； 5 ) 氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功， 又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。用氢代 替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造现在的内燃机稍加改装即 可使用； 6 ) 氢气的密度小，可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及 各种应用环境的不同要求，与难储存的电相比，具有显著的优越性； 郑州大学硕士学位论文：生物质( 牛粪、海带) 厌氧发酵产氢的研究 7 1 氢气的用途极为广泛，可用来发电、贮氢作燃料电池；也可用于汽车、飞机、 宇宙飞船中；还可用作电子工业和金属高温加工过程中的保护气；还广泛用 于炼油工业、冶金工业、有机合成、合成氨工业及食品加工等领域。 常规的制氢方法主要有水电解法、水煤气转化法、烃类氧化重整法等，从目 前世界氢产量来看，9 6 是由天然气、煤、石油等碳氢化合物中提取得到，4 由电解水制得。这些传统的制氢方法均需耗费大量能量。水电解制氢虽然工艺过 程简单，清洁无污染，但需消耗大量电能，且电解效率不高。利用化石燃料制氢 反应都是强吸热反应，反应时需外部供热，热效率较低，能耗很高，且制氢过程 中会对环境造成污染，依然没有摆脱对常规能源的依赖和对自然环境的破坏。 与传统的制氢技术相比，生物制氢则是利用微生物以含氢物质( 包括纤维素、 植物淀粉、糖、固体废弃物及有机废水) 为底物产生氢气。与传统制氢工业相比， 所使用的原料来源广泛且成本低廉，反应条件温和，反应过程不使用常规的化石 燃料，反应产物为二氧化碳、氢气，不会对环境造成污染，并且可以和有机废水 的处理结合在一起，作为一种符合可持续发展战略的课题，生物制氢技术已在世 界上引起了广泛的重视。 1 2 生物质发酵产氢研究现状 迄今为止，已报道的生物质产氢微生物类群包括了光合厌氧产氢生物、非光 合生物( 严格厌氧细菌、兼性厌氧细菌和好氧细菌) 和古细菌【6 一】。 美国g e s t 【l ；】首先发现了光合细菌( r h o d o s p i r n l u mm 砷】m ) 具有在光照厌氧条 件下转化有机物产生氢气的特性。此后，各国的研究者们对利用光合产氢生物的 研究一直进行着不懈的努力【9 - l5 1 。然而，从目前的研究结果来看，光合产氢生物 的氢产率及对太阳能的转化率较低，而且产氢代谢过程的稳定性也较差，这些问 题制约了光合生物产氢技术的发展。 与光合制氢相比，发酵法生物制氢具有诸多优点【1 6 】：1 ) 目前的研究表明， 发酵产氢细菌的产氢能力和产氢速率高于光合产氢细菌，而且发酵产氢细菌的生 长速率一般比光解生物要快；2 ) 发酵产氢细菌产氢不需要光源，可以持续稳定 产氢，容易实现连续化生产；3 ) 可利用可再生生物质资源和废弃有机物进行生 产，底物来源广泛，价格低廉；4 ) 反应器设计简单，更容易在短期内实现。 郑州大学硕士学位论文：生物质( 牛粪、海带) 厌氧发酵产氢的研究 厌氧微生物包括专性厌氧和兼性厌氧微生物，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，能利用多种底物在 氮化酶或氢化酶的作用下将底物分解制取氢气。发酵生物制氢的适用范围极为广 泛，可利用各种废弃生物质生产清洁的氢能源，如：甲酸、丙酮酸、c 0 和各种短 链脂肪酸等有机物、淀粉纤维素等糖类。这些物质广泛存在于工农业生产的污水 和废弃物中。 在厌氧茵发酵研究中，大多数的研究都着眼于纯菌种及细胞固定化技术，如 产氢菌种的筛选及包埋剂的选择。人们用某些微生物作载体或包埋剂，对细菌固 定化的一系列反应器系统进行了研究。但细菌纯化和细胞固定化技术仍存在诸多 局限性，如包埋技术复杂，且有些情况下不易选择合适的包埋剂；细胞固定化形 成的颗粒内部传质阻力较大，积累在颗粒内的代谢产物会对生物产生抑制作用， 从而会使产氢能力降低；利用纯菌种和固定化技术进行产氢，发酵条件要求严格， 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，只适 合于实验室研究；小型试验易取得瞬间高产氢率，要长期运行并连续生物产氢、 保持较高的产氢量和氢气浓度，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。 天然混合产氢微生物的发现大大促进了生物制氢技术的发展，任南琪【1 7 j 9 】 于2 0 世纪9 0 年代，从厌氧活性污泥中分离出混合产氢菌株，以蔗糖和废糖渣废 水为底物，利用驯化的厌氧微生物菌群的产酸发酵作用制得氢气，在处理高浓度 废水的同时回收大量的清洁能源一氢气，突破了生物制氢必须用纯菌种和固定化 技术的局限，开辟了一条利用非固定化菌种生物制氢的新技术，使我国的生物制 氢技术处于世界领先地位；赖俊割2 0 1 等人以市政消化污泥为天然产氢菌源，以淀 粉为底物通过厌氧发酵制备了生物氢气；v a ng i l l l ( e l 2 1 1 等以土豆地和大豆地土壤 为菌种来源，以蔗糖为底物，在p h = 5 5 和底物浓度为7 5g c o d 1 的条件下，实 现了持续产氢，最高产氢速率为4 6 3 6 m 1 h 2 g c o d l ；u e n o 2 2 】等从厌氧产氢污泥 中筛选出死e r m d a ，l 口e r d 幻c f e r f “m 旃e ，m d s 口c c j i l a m 纱f f c 掰k u 0 0 1 菌株，氢气转化 率为2 1 4 m m 0 1 m o l 葡萄糖；o h 【2 3 】等筛选的c f 抛施c 纪，s py 1 9 菌株的氢气转化率 为2 1 4 9 m m o l m o l 葡萄糖；c h e n 等从厌氧产氢污泥中分离得到c j 护f 西“聊 砌矽成“mc g s 5 ，以蔗糖为底物，在p h 值为5 5 时，得到2 7 8 m o l h 2 m o l s o u r o s e 郑州大学硕士学位论文：生物质( 牛粪、海带) 厌氧发酵产氢的研究 的最大产氢量。 除微生物自身的产氢特性外，环境因素( 包括p h 值、底物浓度、底物种类、 氧化还原电位等) 对微生物的产氢能力也有重要影响。产氢产酸菌对环境p h 值 的适应范围较宽，一些产酸菌可以在p h = 5 5 8 5 范围内生长良好，有时甚至可 以在5 0 以下的环境中生长，产甲烷菌的最适p h 值大致是6 6 7 8 【2 5 】。因此，在 产氢过程中要控制发酵液的p h 值以抑制产甲烷菌的活性。f a n g 【2 6 】在对葡萄糖产 氢的研究中发现，在p h 为4 o 时，葡萄糖的降解率为9 0 ，氢气浓度为4 0 ， p h 为5 5 时，葡萄糖降解率为9 9 ，氢气浓度为6 4 ，而在p h 为7 0 时，氢气 浓度只有3 5 。h a w k e s 【2 7 】等人认为在相对低的底物浓度下对产氢更有利， 因为 较高的底物浓度可引起体系酸度的降低，从而抑制了产氢微生物的活性。有研究 【2 5 】表明，不同的微生物群落对o r p 的需求也各不相同，乙醇型、丁酸型优势菌 群所需o r p 较低，分别在一3 5 0 2 0 0 m v 和4 5 0 一2 0 0 m v ，丙酸型优势菌群所需 0 r p 较高，通常在2 0 0 1 0 0 m v 之问。 进一步的研究表明，某些无机元素在厌氧发酵生物产氢机制中起着重要作 用，如l i n 【2 8 】等人在发酵液中加入适量的n h 4 h c 0 3 、n a 2 h p 0 4 或n a 2 c 0 3 、 n a 2 h p 0 4 ，相比之没加的氢产量提高了9 0 ，是由于碳酸盐、磷酸赫的加入缩短 了反应延迟时间。而c u 2 + 则抑制产氢，如在任南琪【2 9 】的研究中，发酵液中0 5 m 1 的c u 2 + 使底物的产氢能力降低5 0 。有研究【3 0 1 表明硫酸盐的增加将改变微生物 的代谢途径，从而降低产氢能力。 除了利用糖和淀粉产氢以外，近年来，国内外在利用废水、污泥、固体废弃 物及其它廉价生物质产氢方面也有了越来越多的报道。由于该类生物质结构复 杂，微生物不容易降解，产氢不高。云南师范大学张无敌【3 1 1 以稻草为发酵原料， 控制发酵料液p h 值在5 0 左右，采用批量发酵工艺，进行了厌氧发酵产氢的研究， 得到稻草的产氢潜力为5 3 5 m l g t s 和6 3 6 5 m l g v s ；卢怡等人采用恒温厌 氧发酵工艺，用乳酸调控发酵p h 值在4 7 5 5 ，对牛粪和鸡粪产氢进行了研究， 产氢潜力分别为3 2 3 3 m 1 g t s 、3 3 5 8 m 1 g t s ；樊耀亭【3 3 - 3 5 】等用牛粪堆肥和活性 污泥为天然菌源，利用强制曝气的方法，获得了可以高效产氢的优势产氢菌群， 以玉米秸秆、酒糟、麦麸、麦秸杆为底物厌氧发酵制得氢气，产氢潜势高达 12 6 9 m l h 2 儋t v s 、5 4 4 m l h 2 g t v s 和10 2 o m l h 2 g t v s 、6 8 1 m l h 2 g t v s ；蔡木林， 4 郑州大学硕士学位论文：生物质( 牛粪、海带) 厌氧发酵产氢的研究 刘俊新3 6 1 等以4 mn a o h 对污泥进行预处理，以此为底物厌氧发酵制得氢气，在 p h 值为1 1 的条件下得到最大产氢量，每克干污泥可产氢1 6 6 m l ；林明【3 7 】等系统 考察了不同菌株混合培养时对葡萄糖和复杂有机物( 淀粉、牛肉膏、聚乙二醇乙 二酸酯和胰蛋白胨) 产氢能力的影响，试验结果表明，当利用葡萄糖发酵产氢时， 由于菌种间对共同底物的竞争作用制约了菌种间的协同作用，抑制了高效产氢细 菌( h p b ) 的产氢能力，而利用复杂有机物发酵产氢时，菌种间的协同作用得以发 挥，并促进h p b 产氢能力的提高；l a ，3 8 】等人以热处理的厌氧消化污泥为产氢菌 源，考察了主要组分不同的有机废弃物的产氢潜势和发酵产氢最佳初始p h 值， 结果发现，碳水化合物类物质( 如米饭、土豆) 的产氢潜势要比脂肪类物质( 如 肥肉、鸡皮) 及蛋白质类物质( 如鸡蛋、瘦肉) 高出近2 0 倍，碳水化合物类物 质的最佳初始p h 值为5 o ，而脂肪、蛋白质类物质的最佳初始p h 值则为6 0 ： k i m 【3 9 】等以食物残渣和污泥的混合物( 食物残渣：污泥= 8 7 ：1 3 ) 厌氧发酵产氢， 在p h 为6 o 下，得到最大产氢潜势1 2 2 9 m l gc a r b o h y d r a t e c o d ，最大比产氢速 率为1 11 2 m l h 2 g v s s l l ；n a r e n d r a 【4 0 】等利用产氢菌上流胞阳6 口c 把rc 肠叩pi it - b t 0 8 ，以木质纤维素为产氢底物，在p h 为6 o 左右得到最大产氢速率 7 5 6 m m o l ( l h ) ；n o i k e 等用发酵豆饼为菌种来源，以稻糠、麦麸、豆渣废弃物 为底物的产氢研究中，产氢能力也很低；k 矗s 1 1 1 1 a i l 【4 2 】等人在p h 为5 士o 2 ，1 0 5 条件下热处理牛粪1 h ，以得到产氢菌源，以菠萝皮为产氢底物厌氧发酵得到氢 气，产气量为0 7 2 l g v s ；w a l l g 【4 3 】等人利用污泥废水厌氧产生氢气，产氢量为 o 9n l m o l h 2 g d r i e ds o l i d s 。 1 3 本课题的研究思路 近年来，国内的畜牧业发展迅速，大量的养牛场、养猪场、养鸡场等养殖场 产生的畜禽粪便的处理成了一个不容忽视的问题。据统计，每年产生的畜禽粪便 多达1 7 3 亿吨，大约为工业固体废弃物的2 7 倍，其中无机氮、磷的含量大约分 别为1 5 9 7 力吨和3 6 3 万吨，畜禽业的发展导致了养殖污染的加剧。根据污染调 查估算的结果，1 9 8 8 年全国畜禽污染物c o d ( 水污染物化学需氧量) 、氮、磷的 流失量分别为4 5 5 1 力吨、2 4 9 4 万吨和2 3 7 万吨，2 0 0 1 年分别为6 8 9 6 万吨、 3 6 9 3 万吨和2 9 7 力吨。畜禽粪便含有大量未被消化吸收的有机物质，能对大气、 郑州大学硕士学位论文：生物质( 牛粪、海带) 厌氧发酵产氢的研究 水体、土壤、生物造成多方面的污染。目前养殖场畜禽粪便只有极少部分经过简 单无害化处理，绝大部分未经处理而直接排放。且畜禽粪便为高浓度污染源，对 周围的水源、土壤和空气造成较为严重的污染，不但影响到畜禽产品的质量安全， 还直接危害着周围居民的身心健康；畜禽规模养殖场空气中的细菌含量是影响场 区及周围空气环境的主要因素【删。 另外，我国海域辽阔，湖泊众多，水生资源丰富，近年来由于生活污水、化 肥和食品等工业废水及农田排水进入水体，这些废水中都含有大量氮、磷及其它 无机盐类，导致水体中营养物质增多，促使藻类及其它浮游生物迅速繁殖，造成 水体富营养化【4 5 1 。不但制约了水生资源的可利用性，而且直接影响着人类的健康 生存与社会经济的持续发展。主要危害有：大量的藻类及浮游生物吸收水中的阳 光、溶解氧及所需的营养物质，致使水质恶化，造成其它海洋生物生存环境的极 度恶劣，鱼、虾、贝类及珊瑚等大量死亡，生态环境遭到严重破坏；随着水体富 营养化的日益严重，氮、磷含量的增加，藻类过度繁殖，某些藻类能够分泌、释 放有毒物质，人在饮用后容易得病，对人们的健康产生很大影响 4 6 】。 基于以上背景，本文尝试以牛粪为天然产氢菌源，以畜禽粪便及廉价的海洋 植物为原料，通过厌氧发酵制取氢气，即：通过产氢产酸发酵细菌对有机物质的 发酵途径，将复杂的大分子有机物质水解为简单的小分子有机物( 如单糖、氨基 酸等) ，并进一步发酵为挥发酸( 乙酸、丙酸、丁酸等) 和乙醇等产物，同时释 放出发酵气体。具体内容如下： 1 ) 通过系统考察了预处理，初始p h 值和底物浓度等因素对牛粪、海带产 氢能力的影响，确定了牛粪及海带厌氧发酵产氢的最佳环境条件； 2 ) 在此基础上，实现对牛粪产氢的小型放大，考察了固定p h 值对牛粪产氢 的影响；探讨了牛粪及海带发酵产氢过程生物液相中有机酸醇含量、氧化还原电 位( o r p ) 的变化规律及产氢微生物的生物代谢机理； 3 ) 运用数学模型对生物产氢过程进行描述。 6 郑州大学硕士学位论文：生物质( 牛粪、海带) 厌氧发酵产氢的研究 2 1试验装置 第二章试验部分 2 1 1 批式试验装置 批式试验所用的反应器为有效容积为1 5 0 m l 的血清瓶，装入反应混合物经充 氮密封后置于t h z 一8 2 b 型气浴恒温振荡器内( 江苏金坛医疗仪器厂) 恒温培养。 2 1 2 小型放大试验装置 小型放大试验所用的装置为5 l 棕色反瓶，装入反应混合物充氮密封后置于 一个用加热棒加热的恒温水浴容器中。反应过程中可通过加酸碱调节p h 值到某 一范围。 2 2 试验材料 2 2 1 菌种来源 本试验所用菌种均为牛粪堆肥，取自郑州郊区养牛场。菌源处理方法参照文 献【4 7 】。 2 2 2 试验原料 参照文献方法制备营养液【4 8 】，其组成( l ) 如下：8 0 9n h 4 h c 0 3 ；1 2 4 9 k h 2 p 0 4 ；0 1 9m g s 0 4 。7 h 2 0 ；0 0 1 9 n a c l ；o 0 1 9n a 2 m 0 0 4 2 h 2 0 ；o 0 1 9 c a c l 2 2 h 2 0 ；0 015 9m n s 0 4 7 h 2 0 ；o 0 2 7 8 9f e c l 2 。 调节p h 值用稀h c l 、n a 0 h 溶液。 本实验用到的底物有牛粪、海带和海草。测定其成分如表2 1 ： 表2 一l 不同底物的成分 2 3 试验方法 2 3 1 批式试验 适量底物经过预处理( 经酸处理后的底物要先用碱液粗调至中性再加菌液， 否则过酸环境将破坏产氢菌的活性) 后加入2 m l 营养液及3 0 m l 菌液，调节至所 需p h 值，转移至1 5 0 m l 血清瓶中，加水定量到5 0 m 1 ，充入氮气以保证厌氧气氛 并用橡胶塞密封，置于振荡器内3 5 l 恒温反应。定时测量产气量及氢气浓度。 2 3 2 小型放大试验 底物经预处理后加入适量营养液及菌液，调节至一定p h 值，转移到5 l 反 应器中，充入氮气以保证厌氧气氛并用橡胶塞密封，外加恒温水浴保证温度恒定 在3 5 1 范围内，通过输液管滴加酸碱调节反应液的p h 值在某一指定范围内。 通过外加机械搅拌器进行搅拌。内置氧化还原电极监测反应过程中氧化还原电位 的变化，定时测量产气量及氢气浓度，产气过程中，定时取少量液相术端发酵液 离心过滤后测定液相末端产物组成的变化。 2 4 分析项目、方法及分析仪器 主要分析项目如表2 2 ： 表2 2 分析项目及分析方法 一一一_ _ _ _ _ _ _ - 分析项目 分析方法 频度 一一 p h p h 一6 0 7 l 微电脑型酸度计 常规 i s s v s s 灰分 o r p 气相组分 液相发酵产物 重量法【4 9 】 重量法【4 9 1 重量法【4 9 1 p h m v “2 1 9 微电脑型测量计 h p 一4 8 9 0 气相色谱仪，热导池 h p 一4 8 9 0 气相色谱仪，氢火焰 常规 常规 常规 常规 定期 定期 2 4 1 气相组成分析 采用h p 一4 8 9 0 型气相色谱仪，热导池检测器( t c d ) 。高纯氢气做标样。 测定的条件：p o r a p a l ( q6 英尺不锈钢柱( 8 0 1 0 0 m e s h ) 填充柱，n 2 气为载 气，流速2 0 m l m i n ，柱温8 0 ，汽化室和检测室温度均为1 0 0 。进样量o 4 m l 。 使用气相色谱仪测定氢气组分时，标准氢气进样量与其它操作条件均与待测 生物气测试条件一样。 2 4 2 液相产物组分分析 采用h p 一4 8 9 0 气相色谱仪，氢火焰离子化检测器( f i d ) 。 测定条件：1 0 p e g 2 0 目+ 2 h 3 p 0 4 硅烷化1 0 2 担体( 8 0 1 0 0 目) ，8 英尺 不锈钢柱。载气为氮气，流速2 0 m l m i n ，h 2 流速为3 0 m l m i n ，空气流速为 3 0 0 m l m i n 。柱温1 3 0 1 7 5 ，采取程序升温：初始温度1 3 0 ，初始时间3 5 m i n ， 升温速率6 0 m i n ，终止温度1 7 5 ，终止时间9 m i n 。汽化室温度2 2 0 ，检测 室温度2 5 0 。进样量1 u l 。 测定前样品预处理：水样经离心过滤后，取2 m l ，同时加6 m o l l h c l 一滴。 标准溶液的配制：准确吸取乙醇、丙醇、f 丁醇、乙酸、丙酸和丁酸各1 m l ， 分别稀释1 0 0 倍、2 0 0 倍、4 0 0 倍、5 0 0 倍、1 0 0 0 倍、2 0 0 0 倍、5 0 0 0 倍、1 0 0 0 0 倍。以上所用试剂均为分析纯，其不同稀释浓度下的浓度如表2 3 。 9 郑州大学硕士学位论文：生物质( 牛粪、海带) 厌氧发酵产氢的研究 l o o 2 0 0 4 0 0 5 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 5 0 0 0 7 8 9 3 3 9 4 6 1 9 7 3 1 5 7 8 7 8 9 3 9 4 6 1 5 7 8 8 0 3 5 4 0 1 7 2 0 0 8 1 6 0 7 8 0 3 4 0 1 7 1 6 0 7 8 0 8 9 4 0 4 9 2 0 2 4 1 6 1 9 8 0 9 4 0 4 9 1 6 1 9 1 0 4 9 0 5 2 4 5 2 6 2 2 2 0 9 8 1 0 4 9 5 2 4 5 2 0 9 8 9 9 2 0 4 9 6 0 2 4 8 0 1 9 8 4 9 9 2 4 9 6 1 9 8 4 9 5 9 0 4 9 7 5 2 3 9 7 1 9 1 8 9 5 9 4 7 9 1 9 1 8 1 0 0 0 0 7 8 9 8 0 38 0 91 0 4 9 9 9 29 5 9 表2 4 发酵末端产物各组分的标准工作曲线拟合方程 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l - _ _ _ - _ _ _ _ - - _ _ l _ _ - _ _ - _ _ 一一_ 拟合项目 拟合方程 线性回归因子r 2 乙醇 y = 2 e + 0 6 x + 16 6 4 8 o 9 9 9 6 丙醇 丁醇 乙酸 y = 2 e + 0 6 x + 317 6 8 y = 2 e + 0 6 x + 4 6110 7 y = 5 4 9 3 7 9 x 3 7 3 4 4 7 o 9 9 9 7 o 9 9 8 7 0 9 8 8 9 丙酸 y = l e + 0 6 x + 1 5 3 4 2 9 o 9 9 7 丁酸y = 2 e + 0 6 x 15 6 1 8 1 o 9 9 6 7 一一 以气相色谱分析v f a s 浓度其原理是根据标准溶液中各组分的浓度及相应组 分的峰面积制得标准工作曲线，再由样品中各组分的峰面积求出其浓度。v f a s 的标准工作曲线样图如图2 1 。 发酵末端产物各组分的标准工作曲线拟合方程如表2 4 。 1 0 郑州大学硕士学位论文：生物质( 牛粪、海带) 厌氧发酵产氢的研究 1 6 1 2 为 h 娶8 陋 髫 4 0 2 5 数据分析 浓度( m g m 1 ) 图2 1v f a s 的标准工作曲线 2 5 1 产氢过程的数学模型 68 在废弃物生物产氢中如何有效的进行各因素的控制，是建立在对细菌生长基 本原理的基础之上。微生物在化学成分一定的培养基中进行分批培养，其生长速 度将随时间而发生规律性的变化，可划分为延迟期、对数生长期( 指数期) 、稳 定期和衰亡期【5 0 5 。细菌的生长曲线如图2 2 所示。 变化曲线可由三个参数进行描述：最大比生长速率心。，t 点的最大斜率； 延迟时间五即在t 点时x 轴上的截距；渐近线a ，生长过程中所能达到的最大值。 在微生物学中，有许多模型用来描述不同环境条件下细菌的增长情况【5 0 5 2 1 ，其 中大多数模型只是画出了包括数学参数a ，b ，c 的曲线，而很少是包括生物学意义 的诸如a ，肋和五等参数。此外，如果这些生物学参数不能从模型中直接估计， 而必须通过数学方程式计算才能得到，就很难获得微生物生长的可靠区间。一般 地，在对数或指数生长期，微生物的细胞浓度变化可由下列公式表示出【5 0 5 2 】： 郑州大学硕士学位论文：生物质( 牛粪、海带) 厌氧发酵产氢的研究 图2 2 微生物的生长曲线 冬：l tx 或x t ：x a el l t j 厂2 x 或 爿2 爿。p 1 n m l n x o 2 ( 2 5 1 ) ( 2 5 2 ) 一比生长率( 小时1 ) ； m 一经f 时间培养后的微生物细胞浓度： x o 一初始微生物的细胞浓度 尽管上式可以详细估计细菌的比生长速率，但是对延迟时期以及生长停止时 期的情况却无法进行合适的描述。z w i e t 嘶n g 【5 3 5 4 】等使用a ，肋和名重写了微 生物的生长动力学模型，其中以修正的g o m p e r t z ( 2 5 1 4 ) 方程式最为简单，并 且能对微生物的生长过程中四个阶段进行细节描述。其推导过程如下： g o m p e n z 方程式为：少= 以e x p 卜e x pg 一甜) 】 ( 2 5 3 ) 对方程式( 2 5 3 ) 求导得： 老= 以c ，e x p 卜e x p ( 6 一c f ) 】。e x p ( 6 一c f ) ( 2 5 4 ) 二阶求导得 窘2 e x p 【_ e x p 叫) 】e x p o 叫) 【e x p o 叫) 一l 】 ( 2 5 5 ) h m 窘= 。_ = 兰 ( 2 5 6 ) 最大比生长率。可以通过计算式( 2 5 4 ) 得出 藉靛墨匝籁捆畏 郑州大学硕士学位论文：生物质( 牛粪、海带) 厌氧发酵产氢的研究 舻= 詈 等式( 2 5 3 ) 中的c 可以表示为c = 。e 口 切线方程式为 y = p m t 七一一p m t i 五是在时间轴上的截距，所以 o = 。兄+ 旦一。f f 方程式( 2 5 6 ，2 5 7 ，2 5 1 0 ) 联合计算可得出 名：业 6 ：竖五十l ( 2 5 1 2 ) 口 达到渐进值时，t 趋于无穷 f 寸。o ：y 一口j 彳= 口 ( 2 5 1 3 ) 刚e x p 卜 等巾 ) 泣5 “， 在表中所列出的模型中，修f 的g o m p e r t z 方程式在统计学中可以用来描述 细菌的生长，如l a c t o b a c i l l u sp l a n t a n l m ，l a c t o b a c i l l u sa c i d o p h i l u s ，a c e t o g e n s 和 m e m 姐o g e n s 等细菌【5 3 。5 6 】。由于在厌氧菌的培养系统中，底物一部分转化为新的 细胞，部分转化为氢气和二氧化碳，所以此方程式也可以用来描述产物的生成 情况。赖俊刮5 6 1 等利用修正的g o m p e n z 方程式描述了厌氧发酵系统中甲烷的生 成情况。 本研究使用了修正的g o m p e n z 方程式( 2 5 1 5 ) 描述产氢过程，经过方程式 拟合，成功的测定出氢气的反应延迟时间、产氢潜势和产氢速率，与实际结果一 致。 唧卜 等”州 眨5 邯， 其中h = 累积产氢量( m 1 ) 7 8 9 o 1 5 5 5 猫 撕 撕 慨 摄 q q 乙 乙 郑州大学硕士学位论文：生物质( 牛粪、海带) 厌氧发酵产氢的研究 九= 产氢延迟时间( h ) p = 产氢潜势( m 1 ) r = 产氢速率( m l h ) e = e x p ( 1 ) ，即2 7 1 8 2 8 1 8 2 8 使用e x c e l2 0 0 0 中的规划求解对数据进行分析处理计算，通过牛顿运算法则，经 过多次迭代，使实验值和方程式预测值之间的误差平方和与关联因子r 2 趋于最 小 5 6 5 7 1 。 2 5 2 累积产氢量的计算 累积产氢量计算公式如下： f 日：+ 蜀) 胁 ( 2 5 1 6 ) f - 2 其中h = 累积产氢量( m 1 ) 凰= 反应器液面上空的体积( m 1 ) h r 第一次抽出气体的体积( m 1 ) 蜀= 第i 次抽出气体的体积( m 1 ) 7 l 一第一次抽出气体中氢气浓度( ) 九= 第i 次抽出气体中氢气浓度( ) 单位累积产氢量的计算公式如下： 膏= 志 其中j 2 r 彳= 单位累积产氢量( m l h 2 g t v s ) h = 累积产氢总量( m 1 ) t v s = 总挥发性固体 m = 反应底物的质量( g ) 1 4 ( 2 5 1 7 ) 郑州大学硕士学位论文：生物质( 牛粪、海带) 厌氧发酵产氢的研究 第三章牛粪堆肥发酵产氢的研究 由于牛粪堆肥中含有大量可用于发酵产氢的微生物、未被消化吸收的有机物 质( 纤维素、半纤维素、蛋白质等) 及微生物生长代谢过程所必须的n 、p 等营 养物质，这些都使利用牛粪进行生物产氢具备了一定的可行性。本文同时以牛粪 为产氢底物和天然厌氧产氢菌源，在批式试验中考察了预处理、底物浓度、初始 p h 值对牛粪产氢的影响；并在5 l 反应器中进行了小型放大。 3 1 牛粪堆肥产氢的批式试验 3 1 1p h 值对牛粪产氢能力的影响 环境p h 值是影响微生物产氢的主要因素之一。只有在一定的p h 值范围内， 产氢微生物才能维持其正常的生理代谢活动。p h 值对微生物的影响主要有：影 响代谢过程中酶的活性；改变氢离子的浓度，从而引起细胞膜电荷的变化，影响 微生物对营养物质的吸收【5 引。因此，找出适合微生物生长的最佳p h 值，对于提 高产氢微生物的生物活性，抑制有害微生物的生长，提高底物产氢能力有着举足 轻重的作用。 为