兩種底物厭氧發酵產氫能力的比較*

李永峰， 劉 ， 張 敏

（1.上海工程技術大學，上海 2016202；2.東北林業大學，黑龍江哈爾濱150040）

能源是人類進行生產和賴以生存的物質基礎，它和材料、信息等一起被認為是現代社會發展的三大要素。生物能源的開發和利用是當今世界研究的熱門課題，而氫能作為一種高效、無污染的清潔能源，被認為是最具有發展潛力的可再生能源之一。

我國糖廠的年生產能力高達 1.6×107t[1～3]，糖廠廢液的直接排放不僅造成了水環境污染，同時也造成了再生資源的巨大浪費。另外，赤糖廢水中有機物含量高，可生化降解性好，利用以上兩種碳水化合物含量較高的有機廢水進行氫氣的生產，這不僅消除了污染，而且產生了新的清潔能源，是我國目前在面臨能源短缺的情況下，利用廢水達到資源化的一種新途徑，同時也為清潔能源的生產開辟了新道路[4]。

本試驗借鑒廢水生物處理的厭氧工藝，采用厭氧發酵生物制氫的反應設備，以甜菜制糖廠的廢糖蜜和人工稀釋的赤糖為底物，對其進行了連續流發酵制氫試驗，測定底物變化對CSTR反應器的產氫效能及液相末端產物的影響。本研究為采用什么物質作為底物厭氧發酵最具有工業應用的可能性奠定了基礎，同時對推進工業化的進程具有重要的意義[5,6]。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

本試驗采用連續流攪拌槽式反應器（CSTR）為試驗裝置，結構如圖1所示，該反應器的總容積為19.4 L，有效容積為7.0 L,反應器內部有三相分離器，使氣、液、固三相很好的分離，有利于氣體的傳質與釋放。試驗的HRT維持在6.2h，整個反應器采用外纏電熱絲加熱方式，將溫度控制在(35±1)℃。

圖1 CSTR厭氧反應器的結構圖Fig.1 Schematic diagram of the CSTR reactor for biohydrogen production from brown sugar

1.2 分析檢測方法

采用國家標準方法[7]測定COD、VSS、SS。pH和ORP用pHS-25型酸度計測量，產氣量用LML-1型濕式氣體流量計計量。

采用GC-122型氣相色譜定量的測試液相末端發酵產物（VFAs）組分及含量。氫火焰檢測器，不銹鋼色譜填充柱長2.0m，擔體為GDX-103型，60～80目。柱溫、氣化室和檢測室溫度分別為190℃、220℃、220℃。氮氣作為載氣，流速為30mL/min，每次進樣量為1uL。

發酵氣體產物及組分采用SC-Ⅱ型氣相色譜測定，熱導檢測器（TCD），不銹鋼色譜填充柱長2.0m,擔體Porapark Q,50～80目。采用氮氣為載氣，流速30mL/min，每次進樣量為0.5uL。

2 結果與討論

2.1 底物變化對產氫效能的影響

圖2所示為底物變化對產氫量和氫氣含量影響變化的曲線圖。

在反應器啟動的第6 d，反應器開始產氣，這表明預處理過的厭氧活性污泥在啟動期間仍然保持較高的生物活性。反應運行初期以糖蜜為底物，系統中的微生物適應厭氧環境要經歷一定的變化，致使氫氣產量和氫氣含量較低，呈現出一定的波動性。后續隨著微生物活性逐漸恢復，從第14 d開始，氫氣產量及含量開始增加并逐漸趨于平衡，在經過29 d的運行后系統達到穩定，獲得的氫氣產量及氫氣含量分別為0.63 L/d和20.7%。這說明在底物濃度相對穩定的情況下，反應器中微生物的產氫能力已經達到最大。第30 d系統的底物發生變化，用同一濃度負荷的有機底物赤糖代替糖蜜廢水厭氧發酵。底物改變初期，系統的產氫量和氫氣含量出現了較大的波動，出現一個最小值分別為0.20 L/d和15.2%，這是因為底物突然改變對系統造成了一定的沖擊，從而使得微生物活性也發生了變化。經過12 d的馴化，微生物活性逐漸恢復，產氫量和氫氣含量再次呈現上升的趨勢。但由于發酵系統呈現過酸的趨勢，使得產氫量再一次出現波動，在人工調節酸堿度的情況下，經過一段時間的運行，在第50 d系統恢復正常，產氫量和氫氣含量逐漸增加并趨于穩定，其平衡時的均值分別為1.46 L/d和46.2%，其值是以糖蜜為底物時的2.32倍。從結果分析中可知：在相同負荷運行的條件下，有機底物赤糖的產氫量遠高于糖蜜的產氫量，這說明了厭氧發酵污泥菌種對底物具有明顯的選擇性，同時也反映出不同底物之間的結構差異性和降解的難易程度，其表現在產氫量和氫氣含量的差異上。

圖2 底物變化對產氫量的影響Fig.2 The effect of the substrates on hydrogen production

2.2 底物變化對液相末端產物的影響

以厭氧污泥為接種原料，以糖蜜和赤糖為底物厭氧發酵，在底物濃度負荷相同的條件下，分析底物變化對降解有機物過程中總揮發性脂肪酸（VFAs）和醇含量的影響，如圖3所示。

反應器中污泥量為25.88g(MLVSS)/L，以糖蜜為底物啟動反應器，在厭氧發酵的初期，發酵代謝產物中丙酸的含量較高，其比例占總液相末端產物的45%左右，其中乙醇和乙酸的比例分別占到32%和18%，這說明發酵初期丙酸菌在產酸發酵菌群中占優勢。當反應運行到第8 d，丙酸含量出現波動并逐漸降低，其它末端產物也經過短暫的波動后開始回升。經過22 d的運行發酵，系統逐漸達到穩定，乙醇、乙酸、丙酸和丁酸的量分別是187.6 mg/L、256.3 mg/L、174.9 mg/L、118.1 mg/L，從液相末端產物的比例可以看出，反應系統呈現出混合酸發酵。在運行的第28 d，即在混合酸發酵的穩定運行期，改變發酵底物，以赤糖水代替糖蜜來研究底物變化對系統液相末端產物沖擊變化，其表現在發酵底物改變后前11 d內末端發酵產物的比例發生了較大的變化，各種揮發酸的產量經過短時間的下降后又再次上升到原來水平。當運行到第38 d時，末端產物的比例再次發生變化，其中乙醇和乙酸的比例呈現出上升的趨勢，而丙酸和丁酸的比例卻不斷的下降。但反應器中揮發酸總量并無明顯的減少，說明系統內的發酵菌群代謝還是比較旺盛，只是菌群結構發生了變化。經過56 d的運行后，系統再次達到平衡，其中乙醇、乙酸、丙酸、丁酸的量分別為259.8 mg/L、276.7 mg/L、87.1 mg/L、63.2 mg/L，其中乙醇和乙酸的含量占總產量的78%，呈現出乙醇型發酵，此時的微生物具有較高的氧化有機物的能力，并且系統具有良好的沉降性能。從底物變化后引起總液相末端產物的變化中可以看出，污泥接種到生物制氫反應器之后的馴化過程中，都經歷了一個從不適應到適應，從適應到活性逐漸增強的演變過程。

2.3 底物變化對化學需氧量（COD）去除率的影響

用相同負荷的不同底物來研究發酵產氫效能，圖4是不同底物變化對化學需氧量（COD）去除率的影響情況。以糖蜜為發酵底物時，COD去除率的波動較大，當系統進入穩定期后，COD的去除率維持在7%左右。當底物發生變化時，COD的去除率出現暫時性的下降和短期的波動，當反應運行到48 d后，系統有機底物的去除率最大達到31.2%，隨后出現短暫的波動并穩定在13%左右。從圖4可以看出微生物對厭氧環境的變化具有一定的自我調節和平衡能力，從而使系統呈現出良好的運行穩定性。系統內微生物的多樣性，保證了系統內代謝途徑的多樣性，這有利于廢水中各種有機成分的有效降解。

圖3 底物變化對液相末端產物的影響Fig.3 The effect of the substrates on liquid end fermentation

圖4 底物變化對COD去除率的影響Fig.4 The effect of the substrates on COD removal

2.4 底物變化對pH和ORP的影響

pH和氧化還原電位（ORP）是影響厭氧微生物生長繁殖的重要影響因子，決定著微生物的生存狀態。不同的厭氧微生物所需要的酸堿環境和氧化還原電位也是不同的，不同的底物厭氧發酵對酸堿環境和氧化還原電位的要求也是不同的。圖5反映了底物變化期間ORP的變化情況。以糖蜜為底物時，初期經過2 d的發酵，系統的溶解氧逐漸被系統中的微生物所消耗，這時兼性微生物的活性下降，其表現為系統的ORP從-112 mV下降到-316 mV。啟動初期ORP很不穩定，呈現出一定的波動性，系統運行到第10 d時，ORP從-446 mV上升到 -390 mV左右，這可能是在厭氧發酵的初期，系統需要消耗部分的溶解氧，因此導致反應初期厭氧程度較低并且ORP的波動性比較大。在后續運行過程中，系統逐步趨于穩定，ORP穩定在-390mV左右，直到系統達到混合酸發酵。第28 d系統底物發生變化，ORP從-365mV突然上升到-207mV，在后續經過40 d的運行發酵，ORP逐漸下降，并最終在-444～-450mV之間波動，這一條件范圍可能是形成乙醇型發酵的主要原因，并且決定了生物制氫系統的運行穩定性。

圖5 底物變化對ORP的影響Fig.5 The effect of the substrates on ORP

圖6 底物變化對pH的影響Fig.6 The effect of the substrates on pH

圖6是底物改變對反應器內部pH的影響變化情況。啟動初期系統的pH在4.61～5.07范圍內波動，其變化幅度不是很大。在系統以糖蜜為底物趨于混合酸發酵時，pH開始下降到3.86，液相末端產物和氫氣產量有較小幅度的下降，為了防止微生物群落長時間的經歷酸性厭氧環境而使活性難以恢復，試驗中投加一定量的NaOH溶液來有效的調節系統的酸堿度，提高反應器的產氫效能和實現穩定運行，經過調節后系統的pH恢復到4.07。第28 d系統的底物發生變化時，系統的pH再次下降到3.75，系統的氫氣產量和液相末端產物的量也相應地在較小范圍內波動，這可能是底物變化對系統內的菌群造成了一定的沖擊作用，改變了其發酵路徑。經過后續6 d的人工調節加上系統自身的恢復作用，最終使系統的pH值維持在4.70左右。這是因為此時系統已經形成了乙醇型發酵。乙醇型發酵的產物乙醇不會加速系統的pH值繼續降低。

3 結 論

（1）反應器的污泥量為25.88g(MLVSS)/L、進水底物濃度為3000mgCOD/L、HRT為6.2h、溫度控制在(35±1)℃，以赤糖為底物時的產氫量是以糖蜜為底物時的2.32倍，說明產酸發酵菌群對底物具有選擇性。

（2）在反應器啟動后的污泥馴化過程中，發酵系統內微生物群落隨著底物的變化發生著連續的演變，優勢菌群也不斷地發生變化，同一種屬的細菌利用不同的原料為底物時的產氫能力和產酸能力存在很大的差異，其表現在總液相末端產物的比例和氫氣產量的差異上。當底物由糖蜜轉變為赤糖時，系統中的末端產物乙醇、乙酸、丙酸和丁酸的量分 別 從 187.6 mg/L、256.3 mg/L、174.9 mg/L、118.1 mg/L 增加到 259.8 mg/L、276.7 mg/L、87.1 mg/L、63.2 mg/L。

（3）在以糖蜜為底物時COD的去除率維持在7%左右，當底物發生變化時，COD的去經過短暫的波動后，最終穩定在13%左右。

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