（环境工程专业论文）高浓度有机废水厌氧发酵连续产氢产甲烷的试验研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t b i o 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 ym a d eu s eo fh i g hc o n c e n t r a t i o no r g a n i cw a s t e w a t e r a n do t h e rb i o m a s s e st op r o d u c eh y d r o g e n o r g a n i cm a t e r i a l si no r g a m cw a s t e w a t e rw e r e d e c o m p o s e db yh y d r o g e n p r o d u c i n gb a c t e r i ai n t oo r g a n i ca c i d s ( a c e t i ca c i d ，b u t y r i ca c i d ，e t c ) ， e t h a n o l ，c 0 2a n dh 2 i ft h eh y d r o g e nb i o p r o d u c t i o np r o c e s sa n dm e t h a n ep r o d u c t i o np r o c e s s w e r ec o m b i n e d ，i tw i l lr a i s et h er a wm a t e r i a lu t i l i z a t i o nr a t i om a x i m u m ，b u ta l s op r o v i d et h e o p p o r t u n i t yt or e v e a lt h er e l a t i o n s h i po fm i c r o o r g a n i s mi nt h es t a g e so f a n a e r o b i cd i g e s t i nt h i ss t u d y , g r a n u l a rs l u d g ew a su s e da st h ei n o c u l a t i o ns l u d g e d i f f e r e n tp r e - t r e a t m e n t m e t h o d so ft h eg r a n u l a rs l u d g ew a sd o n et os u p p r e s st h ep r o d u c t i o no fm e t h a n ea n ds t o pt h e p r o c e s sa te t h a n o i ca c i ds t a g e e x p e r i m e n tr e g a r d i n gt h ef e r m e n t a t i o no fg r a n u l a rs l u d g e 、析t 1 1 s y n t h e t i cg l u c o s ew a s t e w a t e rw a sa l s od o n et os e et e s ti t sc a p a b i l i t yt op r o d u c eh y d r o g e n i n i t i a lp h ，f e r m e n t a t i o nt e m p e r a t u r e ，c a r b o nn i t r o g e nr a t i oa sw e l la st h em e t a li o n so n h y d r o g e nc o n t e n ta n dt h ea c c u m u l a t i o ng a sp r o d u c t i o nw e r e a l s oi n v e s t i g a t e di nt h e e x p e r i m e n t i n o c u l a t i o no ft h eg r a n u l a rs l u d g e ，w i t h o u tp r e t r e a t m e n t i n h y d r o g e n f e r m e n t a t i o nf l u i d ，t h em e t h a n eb a c t e r i ac a l t yo nm e t h a n ep r o d u c t i o np r o c e s su s i n gh y d r o g e n f e r m e n t a t i o nf l u i d t h eo p t i m u mc o n d i t i o n so fb i o p r o d u c t i o no fh y d r o g e na n dm e t h a n ew a s i n v e s t i g a t e dt h r o u g ht h eb a t c he x p e r i m e n t m e a n i n g f u lr e s u l t sw e r eo b t a i n e di nc o m p a r i s o n w i t l li n d e p e n d e n tm e t h a n eb i o p r o d u c t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t i o n ：1 c o m p a r i n gt h ef o u rd i f f e r e n tk i n d so fp r e t r e a t m e n t m e t h o d s ，t h ea m o u n to fg a sa n dh y d r o g e nc o n t e n tu s i n gg r a n u l a rs l u d g ea r e ：m i c r o w a v e t r e a t m e n t a l k a l it r e a t m e n t h e a tt r e a t m e n t c h l o r o f o r mt r e a t m e n t r a ws e w a g e 2 t h eb e s tp r e t r e a t m e n tm e t h o do ft h eg r a n u l a rs l u d g et op r o d u c eh y d r o g e ni sb y m i c r o w a v ep r o c e s s i n g a tm i c r o w a v ep r o c e s st i m e5 m i n , g a sv o l u m ea n dh y d r o g e nc o n t e n t a r e118m l g g l u c o s ea n d3 9 8 0 r e s p e c t i v e l y t h o u g h ，t h e r ei sad r o pi nt h ep r o d u c t i o no f g a so fr a ws e w a g ec o n t r o lg r o u p ，b u tt h e r ei sas i g n i f i c a n ti n c r e a s ei nh y d r o g e np r o d u c t i o n ， 14 5t i m e so ft h er a ws e w a g ec o n t r o lg r o u pf e r m e n t a t i o nf l u i dc o do f6 6 0 5 4m g l ，、析m e l i m i n a t i o nr a t eo f3 7 0 5 ，i sa d v a n t a g e o u si nr e s e a r c ho fm e t h a n ep r o d u c t i o np r o c e s s 3 t h eo p t i m u mc o n d i t i o n sf o rh y d r o g e np r o d u c t i o nu s i n gg r a n u l a rs l u d g ea r ep h5 5 ， i n o c u l a t e15 0 9o fg r a n u l a rs l u d g et o g e t h e rw i m5 0 0 m lo fw a s t ew a t e r , t e m p e r a t u r ek e p ta t3 5 d e g r e ea n dc o d ：n ：pi s2 0 0 ：5 ：1i nw a s t ew a t e r 4 t h es e q u e n t i a lb i o p r o d u c t i o no fh y d r o g e na n dm e t h a n ep r o d u c e s2 3 6t i m e sm o r e m e t h a n et h a ni n d e p e n d e n tm e t h a n ep r o d u c t i o na l o n e a l s o ，t h ee f f e c t i v ec o m p o n e n t si s14 h i g h e ra sc o m p a r e dt oi n d e p e n d e n tm e t h a n ep r o d u c t i o n 5 m e t a li o n sp l a y sac r i t i c a lr o l eo nb o t hh y d r o g e na n dm e t h a n ep r o d u c t i o n t h ei d e a l c o n c e n t r a t i o no nh y d r o g e np r o d u c t i o na r ef e 计0 5 0m g l ，n i p1 0m g la n dm 9 2 + o 5 0m g l m e t a li o n sa f f e c t i n gm e t h a n ep r o d u c t i o ni si nt h ef o l l o w i n go r d e r ：f e c o n i k e y w o r d s ：h y d r o g e n ；m e t h a n e ；a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ；o r g a n i cw a s t e w a t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是苯人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书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已在论文中作了明确的说明并表示谢意 签名： 丝 日 期： 关于论文使用授权的说明 d 罗，f 、v 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学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，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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名： 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景 能源紧张和环境污染已日渐成为全世界以及我国可持续发展的主要瓶颈，因而开发 可替代能源是各国政府和科学家所关注的热点之一。其中生物能源被认为是化石能源的 替代品。生物能源是指利用生物可再生原料及太阳能生产的能源，包括生物质能、生物 液体燃料及利用生物质生产的能源如燃料酒精、生物柴油、生物质气化及液化燃料、生 物制氢等。 在诸多新能源中，氢能受到了科学家的广泛关注。这是因为与传统的能源燃料相比， 氢气具备以下几个显著的特点： ( 1 ) 氢是宇宙中最丰富的元素，宇宙中7 5 的质量由氢元素构成，取之不竭，用之不 尽； ( 2 ) 燃烧值高：氢具有最高的能量比，达到3 4 1 5k c a l g ；而汽油仅1 3k e a l g ，喷气飞机 用燃料为1 2 1 5k e a l g ，煤的仅为4 8 3 7k c a l g ： ( 3 ) 清洁无污染：氢气燃烧时不产生温室气体和其它对人体有害的物质，氢氧结合的 燃烧产物是最纯净的物质水，不会对坏境产生任何污染，远比化石燃料洁净。 ( 4 ) 化学简单性：它在快速释放能量时，破坏和形成的键相对来说很少，具有高的反 应速率常数和较快的电极过程动力学，可以用电化学方法释放它的能量。 ( 5 ) 应用范围广泛：它可作为高能燃料，广泛应用于航天飞机、火箭和现代城市交通 工具等部门；氢气用作保护气体在电子工业和余属高温加工过程中也具有重要的用途。 此外，氢气还广泛应用于炼油工业、有机合成工业、合成氨工业及食品j n - v 等技术领域， 氢能将势不可挡地进入社会生活的各个领域。 因此，氢气作为洁净高效和可以再生的二次能源而倍受关注。人们预言，氢气将成 为本世纪最理想的清洁绿色能源，是化石燃料极富前途的替代品。 目前氢气的制备方法有太阳能制氢、水电解法制氢、天然气或工业尾气分离制氢和 生物制氢等。目前工业化的制氢方法为天然气或尾气分离制氢和水电解法制氢。从目前 世界氢产量来看，9 6 是由天然的碳氢化合物如天然气、煤和石油产品中提取的，4 是 采用水电解法制取的。化学方法制氢要消耗大量的矿物资源，而且在生产过程中产生的 污染物对地球环境造成破坏。利用生物方法进行氢气生产，受到世人关注。生物制氢包 括生物质气化制氢和微生物发酵制氢2 种，微生物发酵制氢是一种非常有前景的氢气 制备方法，包括厌氧光合制氢和厌氧发酵制氢。 此外，甲烷( 沼气) 的利用量在我国逐年提高，2 0 0 5 年我国沼气利用量为8 0 亿立 方米，根据国家可再生能源中长期发展规划，预计到2 0 1 0 年和2 0 2 0 年，我国沼气 年利用量将分别达到1 9 0 亿和4 0 0 亿立方米，并可替代15 2 0 万吨年和3 2 0 0 万吨年标 准煤【1 1 。 通过连续产氢产甲烷技术的研究，不仅可使有机废水产生氢气和甲烷这两种能源物 江南大学硕士学位论文 质，而且同时也伴随有机物的降解，使废水得到净化，实现有机废水“变废为宝”。2 0 0 5 年2 月2 8 日，可再生能源法在十届全国人大常委会第十四次会议上获表决通过。该 法将通过新能源开发和利用，来改善中国目前的能源结构，增加能源供应，保护环境， 实现经济社会的可持续发展。十七大报告中也提到了“建设生态文明，基本形成节约 能源资源和保护生态环境的产业结构、增长方式、消费模式。循环经济形成较大规模， 可再生能源比重显著上升。主要污染物排放得到有效控制，生态环境质量明显改善 ， 这使得我们的研究也更具现实意义。 1 2 厌氧发酵连续产氢产甲烷研究进展 1 2 1 厌氧发酵产氢及其研究进展 在厌氧发酵过程中，由于底物氧化不彻底，大部分能量依然留在发酵产物中，故产 能效率低，并能产生多种产物。氢气就是有机物厌氧发酵过程中的一个重要产物，这也 是利用细菌厌氧发酵制取氢气的由来。在厌氧发酵过程，发酵细菌可以利用的底物主要 是碳水化合物、蛋白质和脂肪，图1 1 简单介绍复杂有机物厌氧消化过程及各阶段碳源 转化效率。 2 纠 复杂有机化合物 l ( 碳水化合物、蛋白质、类脂等) h 2 ，c 0 2 。r 2 8 l 长链脂肪酸 ( 丙酸、丁酸等) 五r 2 0 乙酸 7 2 图1 - 1 复杂有机物厌氧消化过程及各阶段碳源转化效率 f i g 1 - la n a e r o b i cd i g e s t i o np r o c e s so f o r g a n i c sa n ds ec a r b o nc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya te a c hp h 雏e 进入上世纪九十年代中期，人们逐渐把生物制氢的热点由利用纯菌的厌氧发酵转移 利用混合菌的厌氧发酵上来，对这一时期研究成果，现分别加以介绍。 n a k a m u r a 等【2 】采用连续流反应器研究污泥停留时间对氢气产量、葡萄糖的降解、酸 化产物的分布及微生物种群的变化的影响。研究结果表明：一般性厌氧细菌和酸化细菌 的数目随污泥停留时间的增加而增加，梭状芽抱杆菌和硫酸盐还原性细菌随污泥停留时 间的增加而减少发酵产物的分布顺序是乙酸、丁酸、丙酸和戊酸。当停留时间有2h 增加 第一章绪论 到1 0h ，混合气中氢气的含量由1 2 减少到9 。 任南琪研究小组等 3 1 首先提出了混合菌的乙醇型发酵，采用的是以活性污泥和厌氧 颗粒污泥富集培养混合细菌，以糖蜜为底物，其最佳的生产氢气的条件为温度3 0 ( 2 ，p h 4 2 - 4 5 ，搅拌速度1 6 0 - 1 8 0r p m 、进水c o d4 - 5g l ，产氢最佳容积负荷7 0 9 0k g c o d m 3 d ， 最大的产氢速率为1 0 4n m a - h 2 m 3 d ，气体中氢气的含量为4 8 ，液相产物以乙醇、乙酸 为主。采用的反应器为带三相分离器的c s t r 反应器，该反应器连续运行生产氢气达1 5 年。 u e n o 等【4 】采用以污泥堆肥中的厌氧微生物进行富集培养的混合厌氧产氢细菌在恒 温c s t r 反应器进行连续产氢实验，以制糖厂废水为底物。实验结果表明：当停留时间 从o 5 天到3 天逐渐增加时，气体的成分基本不变，氢气、二氧化碳和甲烷的含量分别是 6 4 、3 6 和0 1 3 ，然而，其产氢速率从1 9 8 减少到3 4m m o lh 2 l 。液相产物分布以乙酸 和丁酸为主，其中乙酸在长的h r t 占主导地位，而丁酸则在短h r t 的占主导地位其最佳 的氢气产量为消耗每克碳水化合物约产生1 4m m o l 氢气。 l i n 等陌j 以厌氧的恒化反应器进行连续流产氢实验，细菌为用活性污泥经驯化的厌氧 产氢污泥，葡萄糖为实验用底物。实验结果表明在最佳条件p h5 7 、污泥停留时间( s r t ) o 2 5d 、有机负荷为4 1 6m m o l - g l u c o s e l d 时，发酵每摩尔葡萄糖可产生1 7m o l 氢气，每 克微生物每天可产生0 4 5 6m o l 氢气。混合气中氢气的含量为4 3 5 3 ，发酵产物主要以丁 酸和乙酸为主，含少量的丙酸、戊酸、己酸和异丁酸，其中丁酸占5 0 7 4 ，乙酸占2 0 2 6 。 l a y1 6 j 研究了利用经过热处理后的厌氧消让污泥降解微晶纤维素产氢可能性。通过 1 6 批次的间歇实验表明l 该厌氧污泥可以把微晶纤维素转化为氢气和挥发酸。并根据 发酵产物推断在热处理的消化污泥中，产氢微生物以梭状芽袍杆菌为主。特别是当微晶 纤维素的初始浓度大于2 5g l 时，微生物的产氢活性大大被抑制。 赵春芳等1 7 以驯化的厌氧消化污泥为产氢微生物，以葡萄糖为底物，在4l 的消化罐 进行连续流产氢实验，结果表明：在p h 值为5 0 ，温度为3 5 ，污泥停留时间( s r t ) 为6h 的条件下，微生物的产氢速率为2 2 9 8l h 2 l d ，葡萄糖的有机负荷为8 7k g m 3 d 。 发酵气体中，氢气的含量为6 0 ，代谢产物的分布以丁酸、乙酸和丙酸为主，其含量分 别为6 0 、2 6 和1 4 。 l e e 等f 3 】以蔗糖为底物，用富集培养的混合菌为产氢微生物，研究初始p h 值对微生 物产氢发酵的影响实验结果表明：当初始p h 值在3 0 、1 1 0 和1 2 0 时，没有氢气产生。而 在5 o 和5 5 时，仅有少量的氢气产生。最佳产氢的初始p h 值范围在8 0 9 。0 蔗糖的降解率 随着初始p h 值( 3 0 9 0 ) 升高而增加。当p h 值等于9 0 时，最大比氢气产量为 1 2 7m l h 2 g s u c r o s e 。并用数学方程描叙了比产氢速率和氢离子浓度的函数关系，其中动 力学常数k h 和k o h 分别为1 1 x 1 0 4m o l l 和1 0 1 0 。m o l l ，最大比产氢速率为 3 7m u g v s s h 。 1 2 2 厌氧发酵产氢理论及产氢发酵类型 1 2 - 2 1 厌氧发酵产氢理论 江南大学硕士学位论文 所谓发酵产氢，就是厌氧微生物在酸性介质中代谢有机物产生氢气的过程。目前， 人们普遍认为厌氧消化过程主要分为三个阶段【9 】，厌氧水解、产氢产酸和产甲烷阶段。 在这一过程中，各类微生物菌群及作用见表1 1 。在整个厌氧消化过程中，由于三大类 菌群的相互协同作用，最终使得复杂的有机物降解为c h 4 和h 2 。 从现有的文献报道来看，发酵产氢大都是在酸性条件下抑制产甲烷阶段的进行，转 而产氢，并且气体中氢含量可达6 0 以上i l o j 。但是，从整个厌氧消化三阶段反应的自由 能来看，要实现产氢产乙酸菌的产氢作用，必须依赖于产甲烷阶段，一旦抑制其进行， 产氢产乙酸菌的产氢作用就难以进行，尽管如此但可以肯定产氢最终来源于厌氧消化的 第二阶段。 表1 1 厌氧活 生污泥中微生物群及作用 i l l t a b l e1 - 1m i c r o o r g a n i s m si na n a e r o b i ca c t i v a t e ds l u d g ea n dt h ef u n c t i o n i n 产氢发酵细菌是另一类在代谢过程中可以产生分子氢的微生物，产氢发酵细菌能够 根据自身的生理代谢特征，通过发酵作用，在逐步分解有机底物的构成中产生分子氢。 能够发酵产氢的微生物很多，如丁酸梭状芽孢杆菌( c l o s t r i d i u mb u t y r i c u m ) 、巴氏杆菌 ( c l o s t r 砌l l mp a s t e u r i a n u m ) 、克氏杆菌( c l o s t r i d i u mk l u y v e r o 、拜式梭状芽孢杆菌 ( c l o s t r i d i u mb e i j e r i n c k i o 、丙酮丁醇杆菌( c l o s t r i d i u ma c e t o b u t y l i c u m ) 、热纤维梭菌 ( 1 0 s t r i d i u mt h e r m o c e l l u m ) 、大肠埃希杆菌( e s c h e r i c h i ac o l o 、拟杆菌属( b a c t e r o i d e s ) 、产气 肠杆菌( e n t e r o b a c t e ra e r o g e n e s ) 、中间柠檬酸杆菌( c i t r o b a c t e ri n t e r m e d i u s ) 、产气韦荣杆 菌( v e i l l o n e l ag a z o g e n e s ) 、醋微球杆菌似c e t i v i b r i o ) 、奥氏甲烷杆菌( m e t h a n o b a c t e r i u m r e t t g e r i ) 、瘤胃球菌属( r u m i n o c o c c u s ) 、嗜热产氢菌属( t h e r m o h y d r o g e n i u m ) 、拟盐杆菌属 4 第一章绪论 ( h a l o b a c t e r o i d e s ) 、褐球固氮菌( a z o l o b a c t e rc h r o o c o c c u m ) 等。 1 2 2 2 厌氧发酵产氢途径 微生物不同，其产能方式也不同。在无氧条件下，发酵细菌的产能代谢过程仅依赖 于底物水平磷酸化，在有机物氧化过程中，辅酶n a d + 或n a d p + 接受氢质子( 同时接 受电子) 后，形成的n a d p 或n a d p h 不能通过电子传递系统得以氧化。然而，在微 生物体内，n a d + 或n a d p + 的量是有限的，所以若使代谢过程不断进行下去，n a d p 或 n a d p h 必须得以再生。发酵细菌可以借助于包括丙酮酸或由丙酮酸而产生的其他有机 化合物的氧化还原机制得到再生。由于细菌种类及不同生化反应体系的生态位存在着相 当幅度的变化，导致形成多种特征性的末端产物，从微观角度上分析，末端产物组成是 受能过程，n a d h n a d + 的氧化还原偶联过程及发酵产物的酸性末端数支配，由此形成 了在经典生物化学中不同的发酵类型。根据末端发酵产物组成，常将发酵类型分为三类： ( 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 ) 产氢途径 研究表明，可溶性碳水化合物( 如葡萄糖、蔗糖、乳糖、淀粉等) 的发酵。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。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 ) 的作用下进行的。如丁酸梭状芽孢杆菌( c b u t y r i c u m ) 和酪丁酸梭状芽孢杆菌( ct y r o b u t y r i c u m ) ，如表1 2 。 表1 - 2 发酵l o o m o l 葡萄糖产生的产物组成 t a b l el - 2t h ep r o d u c t i o no ff e r m e n t a t i o no f10 0m o lg l u c o s e 梭状芽孢杆菌属发酵葡萄糖为丁酸和乙酸是以中间产物乙酰c o a 作为分叉点的 ( 如图1 2 ) 。从氧化还原反应平衡来看，以乙酸作为唯一终产物是不理想的，因为产 乙酸过程将产生大量的n a d p + h + ，生化反应式如下： c 6 1 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 + 6 h * + 2 h 2 + 2 h c 0 3 + 2 n a d h + 4 a t p ( 1 ) 由于乙酸生成途径无还原力，所以当乙酸产率较高时，可导致n a d h + 旷过量；同 时，由于乙酸所形成的酸型末端过多，所以常因p h 很低而产生负反馈作用。虽然葡萄 糖的产丁酸途径中并不能氧化产乙酸过程中过剩的n a d h + h + ，但是产丁酸过程可减少 n a d h + h + 的产生量，同时可减少发酵产物中的酸型末端，所以对加快葡萄糖的代谢进 程有促进作用，因此出现产乙酸过程与丁酸循环机制的偶联。 c 6 h 1 2 0 6 + 2 h 2 0 + 3 a d p + 3 p i - - * c h 3 c h 2 c h 2 c o o 。+ 3 h + + 2 h c 0 3 + 3 a t p ( 2 ) 从丁酸型发酵的末端产物平衡分析，丁酸与乙酸物质的量之比约为2 ：1 ，其反应式 如下： 5 c 6 h 1 2 0 6 + 12 h 2 0 + 2 n a d + + 16 a d p + i6 p i - - - , 4 c h 3 c h 2 c h 2 c o o + 8 h + + 2 c h 3 c o o 。+ 2 n a d h + 1 0 h 2 + i o h c 0 3 - + 1 6 a t p ( 3 ) 江南大学硕士学位论文 图1 - 2 梭状芽孢杆菌丁酸型发酵途径 f i g 1 2b u t y r i ca c i d - t y p ef e r m e n t a t i o nb yc l o s t d d i u mb u t y r i c u m ( 引自：任南琪厌氧技术原理与应用北京：化学工业出版社2 0 0 4 8 4 ) ( 2 ) 丙酸型发酵( 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 n ) 产氢途径 在污水厌氧生物处理中，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、在厌氧发酵过程中也常呈现丙酸 型发酵。与产丁酸途径相比，产丙酸途径有利于n a d h + 旷的氧化，且还原力较强。丙 酸型发酵的特点是气体产量很少，甚至无气体产生，主要发酵末端产物为丙酸和乙酸。 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 ) 、韦氏球菌属。丙酸的产 生不经乙酰c o a 旁路，而是以e m p 途径产生的丙酮酸作为起点，其中包括部分t c a 循环机制( 如图1 3 ) ，采用离子色谱测定证实了这一途径的存在，当丙酸为2 7m m o l l 时，中间产物苹果酸为0 2 8m m o l l ，琥珀酸为0 2 1m m o l l 。此外，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，产乙酸过程中所释放的过量n a d h + 矿 通过与产丙酸途径偶联得以再生，偶联的反应式如下： c 6 h 1 2 0 6 + h 2 0 + 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 + + h 2 + 3 a t p ( 4 ) g o = 2 8 6 6k j m o l 葡萄糖( p h = 7 ，t = 2 9 8 15k ) 6 第一章绪论 据d i n o p o u l o u 1 2 1 等人对肉膏废水和b r e u r e 等人对明胶废水的研究结果表明，有机负 荷和p h 均对丙酸和乙酸摩尔比率( m p r m a c ) 有影响。降低有机负荷或提高p h ，均 可减小m p i m a c 值。对于肉膏废水，当p h = 5 0 时，m p r m a e 约为1 3 6 ，而p h = 7 o 时，m p m c 为o 7 3 。 葡萄铺 陌i lii l c 0 0 1 ti i 乙酸i 图1 - 3 丙酸杆菌属的丙酸型发酵途径 f i g 1 3p 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 nb yp r o p i o n i b a c t e r i u m ( 引自：任南琪厌氧技术原理与应用北京：化学工业出版社，2 0 0 4 ，8 5 ) ( 3 ) 乙醇型发酵( e t h a n 0 1 t y p ef e r m e n t a t i o n ) 产氢途径 任南琪1 1 3 】等对产酸反应器内生物相观察发现发酵气体中存在大量h 2 ，这一发酵并 非经典的酵母菌属等将碳水化合物经糖酵解生成乙醇，他们将这一发酵类型称作乙醇型 发酵，主要末端发酵产物为乙醇、乙酸、h 2 、c 0 2 及少量丁酸。这一发酵类型中，通过 如图所示的发酵途径产生乙醇。从发酵稳定性及总产氢量等方面综合考察，乙醇型发酵 仍不失为一种较佳的厌氧发酵及产氢途径。考虑到乙酸和乙醇在体系内和细胞内的相互 转换，我们也可以称乙醇型发酵理论为“双碳发酵产氢学说或理论，【1 4 l 。目前，纯菌种 分离鉴定和代谢分析为这种理论找到了物质基础。 7 江南大学硕士学位论文 鬯凹 2 t p2 a d p掣o4 a d p | 什 乓翌2h l 。h 弓芒l 蟑云 c ih p o 2 ，仙+ 2 童n h a d h q 2 c 喁 li 2 c h ，一c c o o h 一2 c h ，一c n o 坩倒醴己醒 _ ，一、 2 k d 2 n d h h + 2 c h 3 一c 1 - i ，o h 乙醉 a t p - 三磷酸腺洚：a d p 二磷酸腺薛；n a d 辅酶i ：n a d h 还原性辅酶i 图1 - 4 细菌乙醇型产氢发酵途径 f i g 1 - 4e t h a n o l - t y p ef e r m e n t a t i o n ( 引自：李永峰高浓度有机废水发酵法制取氢气技术【j 】现代化工，2 0 0 5 ，2 5 ( 3 ) ：l1 ) 1 2 3 发酵产氢影响因素 1 2 3 1 温度 温度是影响微生物生长和繁殖的重要的因素之一。由于微生物的生长和繁殖是通过 一系列的生物化学反应来完成的，而生物化学反应的酶促反应特性使得这些反应需要在 一定的温度范围内才能正常进行，这就决定了微生物的生长必须在一定的温度范围内才 能正常进行。此外，温度还影响细胞质膜的流动性，温度高，其流动性大，有利于物质 的运输；温度低，流动性降低，不利于物质的运输。因此温度变化影响营养物质的吸收 和代谢产物的分泌。 根据微生物主长的最适宜温度的不同，将微生物分为嗜冷、兼性嗜冷、嗜温、嗜热 和超嗜热等5 种不同类型，表1 3 分别列出不同类型微生物各自的最低、最适宜和最高生 长温度范围。 表1 3 微生物生长的温度范围 t a b l e1 - 3t e m p e r a t u r er a n g eo fm i c r o b i a lg r o w t h 文献中报道的利用发酵细菌产氢的温度绝大部分在嗜温范围，最佳的产氢的温度范 围通常在3 0 4 0 0 之间，其中大多数的研究【1 5 】表明，发酵细菌的最佳产氢温度在3 5 3 7 ( 2 之间。也有少数报道的在嗜热温度范围，如y u 等【1 6 1 研究发现利用混合发酵细菌产氢的 8 第一苹绪论 最佳温度是5 5 。 1 2 3 2p h p h 值是影响微生物生长和繁殖的另一个重要因素。由于微生物生长过程中机体内发 生的生物化学反应是酶促反应，而酶促反应都有一个最合适的p h 范围。溶液p h 的改变 将直接影响酶的活性中心的存在形式，改变底物分子和酶分子的带电状态，从而影响酶 与底物的结合。过高或过低的p h 值将会影响酶的稳定性，进而使酶遭到不可逆的破坏， 导致细菌失活。此外p h 还通过影响细胞质膜的渗透性、膜结构的稳定性和营养物质的溶 解性或电离性来影响营养的代谢和吸收，从而影响微生物的生长速度。因此，不同的微 生物生长和繁殖都要求有一个合适的p h 值范围，低于或高于这个范围，微生物的生长就 会被抑制。 文献报趔1 7 】严格厌氧的丁酸梭菌产氢的最佳p h 值范围是6 0 6 5 左右，而产气肠杆 菌的p h 范围为4 5 6 5 之间，最佳的产氢p h 范围为5 5 6 0 之间。有关混合细菌产氢的p h 值研究的也比较多，但有关混合厌氧发酵产氢的最佳产氢的范围的报道分歧也比较大。 大部分研究表明【1 8 】，厌氧发酵细菌最佳生长的p h 值范围在5 0 6 0 之间，最佳产氢p h 范 围在5 5 左右。也有少数不同的研究结果如任南琪等人报道的乙醇型发酵最佳产氢p h 范 围为4 2 - 4 5 之间；而l i i l 等报道i ”】的丁酸型发酵的最佳产氢p h 范围在6 7 左右。 1 2 3 3 底物种类和浓度 底物种类和浓度是厌氧发酵细菌产氢的另外一个重要影响因素。每种微生物能够的 利用的底物有特定的种类，并且对某些种类有优先选择性。厌氧发酵细菌能够利用的最 好的底物是碳水化合物，蛋白质和脂肪在厌氧发酵过程中产氢很少，并且也难以被细菌 利用，不适合作为发酵产氢的底物。在碳水化合物中，葡萄糖和蔗糖是最好的产氢底物。 接下来如糖蜜、果糖、乳糖、木糖、阿拉伯糖、纤维糖和淀粉也是产氢细菌很好的底物。 因此，文献报道的用于厌氧发酵的产氢的底物绝大多数是上述的这些糖类物质，除此之 外，含有大量碳水化合物的有机废水如制糖废水、酒厂废水也是发酵产氢的很好的底物 【1 6 】；也有少数以有机废弃物如豆腐渣、生活垃圾作为厌氧发酵产氢的底物【5 , 1 9 ，不过此 类产氢实验仅限于小批量的间歇实验。也有少数报道以结晶纤维素作为产氢的底物1 2 0 j 从目前的研究结果来看，由于反应器内部的产氢微生物的浓度难以维持高的细菌浓度， 故进水的底物浓度一般都在5 - 2 0g l ，反应器的有机负荷一般都维持5 - 4 0g c o d l d 。 1 2 3 4 水力停留时间 水力停留时间( h l 玎) 是影响反应器产氢的另外一个重要的因素，在厌氧产氢反应 器内部通常存在产甲烷细菌、硫化细菌等氢气利用菌，为了提高反应器的产氢能力，必 须抑制甲烷细菌的活性。在通常的厌氧产氢反应器内，发酵细菌的生长速度比甲烷菌快， 对p h 的适应范围也比较广。因此，通过改变p h 值和水力停留时间等工艺条件可以实现 发酵细菌和产甲烷细菌动态分离，从而提高整个反应器的产氢能力。 从目前的研究结果来看，厌氧产氢反应器的水力停留时间通常维持在2 2 4h ，并且 9 江南大学硕士学位论文 水力停留时间与反应器的结构有密切关系。用连续流搅拌反应器( c s t r ) 【2 1 】和上流式厌氧 反应器【l 引，反应器的最佳产氢的h r t 通常在2 1 2h ，最佳停留时间是6 d 时左右：对于序 批式反应器【1 5 】，最佳产氢的停留时间通常在4 1 2h 之间。对填充式反应器【2 2 1 ，最佳产氢 的停留时间通常在2 6h 。 1 2 3 5 其它影响因素 除了以上讨论的主要因索外，影响细菌厌氧发酵产氢的因素还有氧气、溶液的氧化 还原电位 2 3 1 、重金属离子如铜【2 4 1 、有机毒物质和氨氮的浓度等【2 5 , 2 6 1 ，这些因素对发酵细 菌都有一定的抑制作用，其抑制作用的程度与该物质的浓度有密切的关系，同时与溶液 p h 值等因素也有一定的关系。特别是利用复杂的有机废水或有机废弃物为底物进行产氢 研究时，由于体系的成分比较复杂，这些因素对发酵细菌产氢共同的抑制作用比较复杂。 1 2 4 产氢产甲烷研究现状 目前国内外学者充分认识到对有机物产氢后的发酵液有必要进行再利用，对有机废 弃物的连续产氢产甲烷进行了一些探索和研究，取得了一定的成果。尤其是在近几年， 有越来越多的学者投身于连续产氢产甲烷的研究。 n a o m i c h i 等利用面包废弃物在p h7 的条件下产氢，获得了2 4 0m m o l l h 2 ，发酵液 中含1 5 0m m o l l 的乙酸和丁酸，t o c 浓度为2 0 0 0 0m g l 。经过产氢后的发酵液经稀释 后在u a s b 反应器中进行产甲烷处理，获得甲烷量为4 0 0m m 0 1 l l - d 以 2 7 】。 w a n g 对污水处理厂的污泥进行了一段式连续产氢产甲烷的研究。污水处理厂的污 泥经过预处理( 酸处理、灭菌处理和冻融解冻) 后接种c l o s t r i d i u mb i f e r m e n t a n s 进行产 氢，由于只有小部分有机物转化为氢气，所以在产氢后接种厌氧产甲烷菌k 8 进行产甲 烷。最终甲烷产量的大小为冻融解冻 空白 灭菌处理 酸处理。实验表明相对于空白样， 污泥经过产氢后更容易产甲烷，实验也证明污泥进行连续产氢产甲烷过程是可行的【2 引。 l i u 等【2 9 1 利用家庭固体废弃物经两段法联合发酵产氢产甲烷在实验中被证明是可以 成功实现的。在第一阶段产氢阶段产氢量是4 3m l g v s ，第二阶段产甲烷5 0 0m l g v s ， 这个数据比一段法直接产甲烷高2 l 。用甲烷做喷射产氢反应器，产氢量将增加一倍。 在产氢阶段p h 是影响发酵途径的主要因素，在这个系统中产氢的最适宜p h 是5 5 5 ，研 究也证明在动态发酵中液化阶段乙酸与丁酸的比值的增加对产氢量有影响。 胡觉1 3 0 1 用腐烂的辣椒首先进行厌氧发酵产h 2 ，产h 2 结束后使用n a o h 溶液调节p h 值为7 4 2 ，继续发酵产c h 4 。结果表明：辣椒产氢潜力( t s ) 为1 0 3 0l k g ，v s 产氢潜力 1 4 5 7l k g ；t s 产甲烷潜力为2 5 4 6l k g ，v s 产甲烷潜力为2 7 6 9l k g ，其t s f l 皂量利用潜 力达2 2 2 2 4k j k g 。实验表明辣椒进行产氢与产甲烷能量利用途径是可行的。 1 3 本论文的研究意义、研究目标和研究内容 1 3 1 研究意义 近年来，能源已逐渐成为制约我国经济迅速发展的瓶颈之一，因此新型能源，尤其 是可再生能源的开发，不但对我国国民经济的发展有重要推动作用，而且已成为我国国 l o 第一章绪论 家安全必须考虑的问题。 然而，在利用生物质原料发酵产氢抑或产甲烷的过程中，转化效率普遍较低，若能 将生物法制氢和制甲烷两个过程偶联，不仅可以最大限度的提高原料利用率和生物质能 产率，而且为深刻揭示各微生物厌氧消化各阶段的关联提供了契机。 1 3 2 研究目标 ( 1 ) 确定利用厌氧颗粒污泥产氢产甲烷的可行性及产氢预处理的最佳方式； ( 2 ) 确定厌氧颗粒污泥产氢发酵最佳条件； ( 3 ) 实现颗粒污泥厌氧发酵产氢产甲烷的连续过程并确定产甲烷最佳