pH對發酵系統的產甲烷活性抑制及產氫強化

李建政，蘇曉煜，昌 盛，張立國，于 澤

(1.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，150090哈爾濱;2.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，150090哈爾濱)

有機廢水發酵生物制氫系統是混合微生物系統(厭氧活性污泥系統)［1-3］，產甲烷菌的存在及其耗氫作用對于其產氫效能的發揮非常不利［4-5］.產甲烷菌具有代時長、對環境變化敏感等特征，其適宜的pH為6.4～7.2［4］，因此，可通過控制反應系統的污泥齡(SRT)、pH等方式，抑制乃至淘汰其中的產甲烷菌，以保障發酵系統的產氫效能.現有的研究報道大都采用控制系統啟動條件的方法，通過污泥預處理以及污泥馴化達到淘汰接種污泥中產甲烷菌的目的［6-8］.關于如何應對發酵產氫系統運行過程中出現的產甲烷現象，以及如何通過調控實現甲烷發酵系統向產氫發酵系統的轉變還少見報道.本文以連續流攪拌槽式反應器(CSTR)的啟動運行為基礎，在建立具有顯著甲烷發酵特征系統的基礎上，通過調節系統pH的方法，探討了具有顯著甲烷發酵特征的有機廢水厭氧發酵系統向發酵產氫系統轉變的可行性及其運行特性，以期為發酵制氫系統運行的工程控制提供指導.

1 實驗

1.1 實驗裝置

連續流實驗裝置及流程如圖1所示，其中主體反應器采用的是改進的CSTR［9］，由有機玻璃制成，有效容積為15 L，沉淀區為7.5 L，采用將電熱絲纏繞在反應器外壁上的方式加熱，并通過溫控儀將反應系統的溫度控制在(35±1)℃.

圖1 實驗裝置及工藝流程

1.2 實驗廢水

實驗廢水采用甜菜制糖廠的廢糖蜜加水稀釋而成，配水時投加少量NH4Cl和KH2PO4，使廢水ρ(COD)∶ρ(N)∶ρ(P)=200～500∶5∶1左右.

1.3 反應器的運行與控制

在本研究開始前，所采用的CSTR已經啟動運行了近90 d，并在HRT 8 h、進水COD質量濃度7 000 mg/L、pH 7、(35±1)℃等條件下達到穩定運行，產氣量在19 L/d左右，其甲烷體積分數為35%.采用調節進水堿度的方法(通過投加NaHCO3控制)調控CSTR系統內的pH.根據進水堿度控制水平的不同，CSTR的控制運行依次分為4個階段，其進水堿度(以CaCO3計)分別為2 800～3 200，900～1 400，600～800和200～350 mg/L，對應的pH分別為6.5～7.2、6.0～6.5、5.0～6.0和4.0～5.0.每一次運行條件的改變均在上一階段達到運行穩定后進行.其中，進水COD、HRT、溫度等均保持不變.

1.4 分析項目和方法

pH、堿度、COD、SS和VSS等常規監測項目采用國家標準方法測定［10］，產氣量由濕式氣體流量計計量.包括乙酸、丙酸、丁酸、乳酸和戊酸在內的揮發性有機酸(VFAs)以及乙醇的檢測分析采用SP-6890型氣相色譜儀(山東魯南瑞虹化工儀器有限公司)測定.發酵氣體的組分采用SP-6801T型氣相色譜儀(山東魯南瑞虹化工儀器有限公司)分析［11］.

2 結果與分析

2.1pH和堿度

通過進水堿度的控制實現CSTR反應系統pH的改變是本研究的基本調控策略，調控運行期間的進出水pH及相應堿度變化如圖2所示.在調控運行的第1階段(前16 d)，CSTR進水堿度控制為2 800～3 200 mg/L，反應體系的pH穩定在7左右，堿度穩定在3 600～3 900 mg/L，系統的甲烷發酵特征得到進一步鞏固和穩定［4］.在第2運行階段(第17～第24天)，進水堿度減小為900～1 400 mg/L，將反應系統的pH控制在6.0～6.5，系統達到穩定狀態時，出水堿度為1 150 mg/L左右.從第25天開始CSTR的運行進入第3階段(第25～第34天)，進水堿度降低為600～800 mg/L，系統的pH被調整為5.5左右，達到穩定狀態后，反應器出水堿度保持在700～900 mg/L.第35天以后為反應器運行的第4階段(第35～第50天)，在停止投加NaHCO3的情況下，進水仍有200～350 mg/L的堿度，反應器運行穩定后，出水pH和堿度分別維持在4.0～5.0和250～500 mg/L.

圖2 進出水pH和堿度的變化

2.2 產氣量和氣體組分

圖3為CSTR在pH調控運行期間表現出的產氣量和氣體組分變化.在pH控制為7左右的第1運行階段，CSTR保持穩定運行，其產氣率和甲烷體積分數分別平均為19 L/d和31%，而氫氣體積分數不足3%.當pH降低到6.0～6.5運行時(第2運行階段)，系統的產氣速率及甲烷體積分數受到顯著影響，迅速下降至5 L/d和10%左右，但氫氣體積分數變化甚微.分析認為，pH下降后，反應體系內的產甲烷作用受到了一定程度的抑制，導致發酵氣產量和甲烷體積分數的降低;而氫氣體積分數并不顯著增加的事實則表明產酸發酵菌群的活性并未伴隨產甲烷活性的降低而增強.當系統的pH繼續降低到5.0～6.0的范圍時(第3運行階段)，其產氣速率表現出上升趨勢，發酵氣中的甲烷很快降低到了不能檢出的程度(第27天后)，氫氣體積分數則稍有增加，表明系統內的產酸發酵菌活性有所增強.在pH為4.0～5.0的第4運行階段(第35天后)，CSTR的產氣速率和氫氣體積分數均表現出了迅速增加趨勢，在第40天產氣速率達到峰值28.8 L/d，之后穩定在26 L/d左右，氫氣體積分數也穩定在42%～47%這一水平.

圖3 產氣速率和氣體組分的變化

2.3 液相發酵產物

在甲烷發酵系統中，大分子有機物首先在產酸發酵菌群的代謝作用下水解并進一步產生VFAs和乙醇等小分子有機物，這些揮發性代謝產物只有經產氫產乙酸菌群的作用，轉化為乙酸和H2/CO2之后才能被產甲烷菌群利用并產生甲烷［12］.而乙醇、丙酸和丁酸等的產乙酸反應受控于系統的氫分壓(pH2)，只有pH2較低時反應才能順利進行，隨著pH2升高，丙酸、丁酸和乙醇的產乙酸代謝將依次受到抑制［13］．產氫產乙酸反應需要的低pH2條件，是通過系統中存在的產甲烷菌、同型產乙酸菌以及硫酸鹽還原菌等耗氫菌群的代謝作用得以維系，尤其是產甲烷菌群的優勢代謝作用［13］．

在CSTR調控運行之初(圖4)，盡管甲烷發酵特征顯著(圖3)，出水中殘留的揮發性產物總量仍達2 105 mg/L左右，其中丙酸和乙酸分別占到總量的31%和57%.較多丙酸的殘留，說明系統中產氫產乙酸菌群的功能不足.當CSTR在pH 6.5～7.2下開始第1階段的調控運行后，系統中的產氫產乙酸作用得到了逐步加強，表現為丙酸質量濃度在3 d后呈現持續下降趨勢，而乙酸質量濃度則遞增明顯(圖4).在該階段，產甲烷菌群的功能雖然也得到了一定程度的加強，甲烷產量有所上升(圖3)，但大量乙酸的殘余(圖4)則指示著產甲烷菌群的功能不足.當系統的pH下調到6.0～6.5后，產甲烷菌群的活性受到了顯著抑制，發酵氣的產量及其甲烷體積分數同步大幅下降，而氫氣體積分數開始呈現增加趨勢(圖3);在該階段，液相發酵產物迅速下降，其組成也發生了顯著改變，其中，乙酸和丙酸產量迅速下降，乳酸幾乎消失，而乙醇質量濃度大幅增加，說明pH下降導致了產酸發酵菌群的結構及功能變化.在第3運行階段(pH 5.0～6.0)，產酸發酵菌群的活性得到恢復，揮發性發酵產物總量迅速增加.當系統達到穩定運行狀態時，液相發酵產物仍以乙酸(652 mg/L)為主，占發酵產物總量的36%，其他各組分分布相當，呈現明顯的混合酸發酵特性.當系統的pH進一步調整為4.0～5.0后，液相發酵產物中的乙醇質量濃度迅速上升并于第40天穩定在1 257 mg/L左右，而丙酸質量濃度迅速下降至46 mg/L.系統中乙酸、丁酸質量濃度基本不變，戊酸消失.以上結果表明，隨著pH的逐級遞減，CSTR系統內的微生物菌群結構發生了演替，表現為液相發酵產物比例分布的變化.

圖4 液相發酵產物的變化

值得注意的是，任南琪等［14］的研究表明，當pH為6.0～6.5，CSTR發酵系統呈現丁酸型發酵，具有較好的產氫特性.在相同的pH條件下，本研究卻未能觀測到丁酸型發酵的發生，發酵氣中氫氣體積分數也不足3%.另外，在pH為5.0～6.0的運行狀態下，雖然系統呈現的是混合酸發酵特征，但液相產物以乙酸為主，而氫氣產率卻仍然保持在很低的水平(圖3).這一結果與文獻［14］存在較大差異.分析認為，這種差異可能與接種污泥的初始狀態有關.在文獻［14］的研究中，反應器啟動運行之初，產酸發酵菌群即為系統中的優勢微生物，而本文的CSTR，在pH調控運行之初則表現為甲烷發酵特性，微生物系統的組成和結構更加復雜.當pH降低到5.0～6.0時，盡管系統的產甲烷耗氫作用受到了抑制，但諸如同型產乙酸菌等其他耗氫菌種的存在，仍會造成氫氣產量的損失.

2.4 污泥的活性

對于厭氧生物處理系統而言，有機廢水的COD主要是通過產甲烷作用得以去除［12］.由表1可以看出，在CSTR系統的調控運行過程中，隨著堿度和pH的逐步下降(圖2)，其COD去除率也由第1階段的20%左右逐步下降到4%左右，這主要與系統的產甲烷活性被逐步抑制有關.隨著系統堿度和pH的逐步下降(圖2)，活性污泥微生物的群體代謝特征也隨之發生變化(圖3、4).其中，一些微生物不能適應變化了的環境而喪失活性并隨水流失，導致系統內的生物量逐漸遞減(表1).在CSTR調控運行的第1階段，反應器保持了顯著的甲烷發酵特征，在穩定期(第10～第16天)的生物量(以VSS計)為9.30 g/L，活性污泥的產甲烷活性平均為0.61 L/(g·d)，而產氫活性很低，僅為0.017 L/(g·d)左右.在第2階段，當系統的pH被調整到6.0～6.5后，活性污泥受到了非常顯著的影響，生物量、產甲烷活性以及產氫活性分別大幅降到7.16 g/L、0.05 L/(g·d)和0.006 L/(g·d).當系統的pH降到5.0～6.0后(第3運行階段)，生物量進一步降低為6.43 g/L，產甲烷活性得到完全抑制，產氫活性則提升到0.17 L/(g·d).在運行的第4階段(pH 4.0～5.0)，產酸發酵菌群得到充分富集，生物量增加到6.84 g/L，其比產氫速率達1.67 L/(g·d)，發酵產氫系統最終得以確立.

表1 CSTR在4個運行階段穩定期的生物量及污泥活性

3 結論

1)具有甲烷發酵特征的CSTR有機廢水厭氧生物處理系統，通過逐級降低系統pH的調控方法，可逐步抑制產甲烷活性并建立發酵產氫為特征的產酸發酵體系.在pH 4.0～5.0下，產甲烷活性被完全抑制，發酵氣中氫氣體積分數平均為45%，活性污泥的比產氫活性達1.67 L/(g·d).

2)pH的逐步降低抑制了產甲烷菌群的活性，產酸發酵菌群的代謝特征也隨之發生了改變.當pH下降到4.0～4.5后，發酵產物中乙醇和乙酸質量分數之和約為89%，呈現為典型的乙醇型發酵.

3)產甲烷作用是厭氧生物處理系統COD去除率的主要貢獻者，隨著pH的逐步降低和產甲烷菌群活性的抑制，CSTR系統的COD去除率大幅下降，在pH 4.0～5.0條件下形成穩定的乙醇型發酵后，僅為4%左右.

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