高濃度有機廢水及剩余污泥發酵制氫技術研究

摘要：厭氧污泥發酵制氫技術是目前廣泛被人們所接受的可再生能源手段之一，其種泥的預處理和馴化是厭氧污泥發酵制氫的關鍵技術之一。文章通過對厭氧接種污泥預處理方法和生態因子對污泥產氫特性的影響進行研究。

關鍵詞：高濃度有機廢水；剩余污泥；發酵制氫

中圖分類號：TQ116?；?；?；?；文獻標識碼：A?；?；?；?；文章編號：1009-2374（2014）18-0028-02

隨著社會經濟的發展和工業化進程的加快，高濃度有機廢水的產生量迅速增加。高濃度有機廢水富含有機物，COD濃度高，是我國水環境的主要污染源之一。目前，我國關于生活等污水的處理主要采用的是好氧生物處理技術，在處理的過程中將產生大量的剩余污泥。剩余污泥含水率高達99%以上，富含有機物，大量積累將成為影響環境衛生的一大公害。高濃度有機廢水和剩余污泥是主要的生物質廢物，蘊含著大量的生物質能，其良好的流動性又為這類生物質的生物能量轉化提供了有利條件，因此高濃度有機廢水和剩余污泥能源化處理技術成為這類生物質廢物資源化處理研究的熱點。而我國目前用于高濃度有機廢水和剩余污泥能源化處理技術主要是厭氧發酵，以獲得甲烷為主要目的，關于厭氧污泥發酵制取更高品味能源氫氣的研究尚處于起步階段，反應器多使用耗能嚴重的連續攪拌式厭氧反應器，有諸多問題亟待解決。

1厭氧污泥發酵制氫種泥預處理與馴化研究現狀

作為開發清潔可再生新能源的重要手段，厭氧污泥發酵制氫技術已被人們廣泛接受，并逐漸成為研究熱點。厭氧污泥發酵制氫是在混合菌群條件下進行的發酵，在這些混合菌群中既存在產氫菌，同時也存在消耗氫氣的微生物，如產甲烷菌等。種泥的預處理和馴化是厭氧污泥發酵制氫的關鍵技術之一。預處理的目的有兩個：一是富集產氫細菌，二是抑制消耗氫氣微生物的活性，而種泥的馴化則是要讓種泥中的產氫菌快速地適應所處理的物質。

（1）種泥預處理方法。種泥的預處理是厭氧污泥發酵制氫技術的第一個環節。關于種泥的預處理的方法主要有：

熱處理法。熱處理法屬于物理的處理方法，一般處理溫度范圍在75℃～121℃之間，處理時間介于15min～2h之間，其中最常用的處理溫度是100℃，處理時間為15min。熱處理法是目前使用最多的種泥預處理方法，也是一種被認為行之有效的處理途徑。但是熱處理法存在固有的缺點，一不是所有的產氫菌都能形成孢子，熱處理不能在很大程度上富集產氫菌，二熱處理殺死了大量不能形成孢子的微生物，導致了厭氧污泥中的生物較單一，生物間的協同作用差，不利于對復雜底物的處理，影響厭氧污泥發酵制氫運行的穩定性。熱處理法的效果受溫度和時間共同影響，目前尚未見關于處理溫度和時間優化的研究。

曝氣處理法。曝氣處理是另外一種常用的物理預處理方法，通常是將種泥在曝氣的狀態下培養數小時至數天。在曝氣的條件下嚴格厭氧的產甲烷菌不能存活，而某些產氫菌如腸桿菌屬于兼性厭氧菌能在好氧條件下存活下來。利用微生物的這一生理生化特性，利用曝氣的方式達到抑制氫消耗菌的活性，富集產氫菌的目的。曝氣的處理方法同樣存在著不能較大限度地富集產氫菌的缺點，主要是某些產氫菌是嚴格的厭氧菌同樣不能在好氧的環境中生存。

酸堿處理法。酸堿處理法屬于化學的處理方法。產甲烷菌對pH值有嚴格的要求，一般要求在中性偏堿性的范圍，在強酸強堿的條件活性被嚴重抑制。

添加抑制劑法。2-溴乙烷磺酸鹽是常用的抑制劑，是產甲烷過程中輔酶-M的類似物，能特異性地干擾產甲烷菌的代謝活動，從而抑制產甲烷菌的活性。添加抑制劑是一種行之有效的預處理方法，但是一般添加劑都較為貴重，工業大量使用比較困難。

（2）馴化策略研究。種泥的馴化直接影響厭氧污泥發酵制氫啟動周期的長短，甚至關系整個工藝運行的成敗。目前，關于種泥馴化的研究報道相對較少，而且大部分集中在以縮短水泥停留時間為控制因素上。

2厭氧接種污泥預處理方法研究

污水處理厭氧反應器中厭氧污泥是多種微生物的混合體，含有多種微生物群落，包括產氫菌和耗氫菌，如產甲烷菌等。產甲烷菌能夠利用產氫菌產生的氫氣生成甲烷，因此富集產氫菌必須抑制產甲烷菌的活性。由于多數產氫微生物在外界環境條件惡劣時能夠產生芽抱，能夠抵御較極端的外界條件，而產甲烷菌等耗氫菌則不具備這樣的特點，因而可以通過適當的預處理方法，使污泥處于較為極端的環境，抑制耗氫菌活性，篩選產氫菌，使污泥持續穩定產氫。

我們通過利用產氫菌群能產生芽孢，對不良環境的較強耐受性，酸處理、堿處理、熱處理和三氯甲烷處理4種不同方法對厭氧活定污泥中產氫菌群的富集效果實驗結果如下：

（1）酸處理、堿處理和熱處理三種方法對產氫菌的富集，抑制耗氫菌的效果較為明顯。pH4.0、pH10.0、100℃處理20min后污泥發酵產氫率分別為未處理污泥產氫率的7.32、6.89和8.74倍，其中100℃處理20min后污泥發酵產氫率最高。

（2）三氯甲烷對微生物菌群的抑制作用非常明顯，在本實驗條件下，三氯甲烷預處理24小時，可能不可逆性地殺死了污泥中大部分細菌。

（3）污泥發酵產氫過程中將產生有機酸和醇等可溶性物質，主要為乙醇、乙酸和丁酸，僅有少量丙酸產生，沒有檢測到戊酸。

（4）酸處理污泥和熱處理污泥產氫發酵進行的是混合型發酵，而堿處理污泥進行的主要是乙醇型發酵。

3生態因子對產氫特性的影響研究

培養時的溫度、pH值、接種量等對不同菌種在發酵不同底物時的氫氣產量均有較大影響。一般當溫度在37℃左右時，厭氧活性污泥中混合菌群具有較強的發酵和繁殖速度，有機物酸化率及氫氣產率最大，而溫度對發酵末端產物的組成幾乎沒有影響。pH值不同時，體系將通過不同發酵途徑進行發酵，因而造成產氫量不同，此外不同菌種不同培養方式的最適pH值也不一致?；旌暇嚎筛鼮閺V泛地利用不同底物進行產氫發酵，但對不同底物的利用率和產氫發酵效率卻有很大差別。

我們首先考察了不同方法處理污泥利用垃圾滲濾液的發酵產氫情況，探討各種方法處理污泥對復雜基質的耐受性，并通過對初始pH、發酵溫度、接種量這些因素的研究，確定相對適宜的培養條件。結論如下：

（1）相比酸、堿處理法，熱處理法富集的混合產氫菌發酵復雜基質，能獲得更高的產氫率。

（2）僅僅調節初始pH對體系的意義不大，初始pH值只影響了發酵初期短時間內的菌落生長環境，隨著菌落繁殖，發酵進行，會產生大量乙酸、丁酸等酸性物質，使發酵體系pH值快速下降。

（3）溫度會影響細菌的生長和代謝過程，從而影響混合菌群發酵產氫情況，35℃是混合菌群的最適生長溫度，但為了獲得高氫氣產率，最佳培養溫度為37℃。

（4）污泥接種量不宜太大也不宜太小，實驗條件下，10%是一個合適的接種量。

4實驗結果

通過以上對厭氧接種污泥預處理方法和生態因子對污泥產氫特性的影響進行的研究，為今后研發厭氧反應器發酵制氫系統提供了基礎的數據，也為部分產生高濃度有機廢水的企業提供了建設污泥發酵產氫工程的理論基礎。

參考文獻

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作者簡介：劉劍偉（1982—），男，山東濟寧人，供職于中煤科工集團南京設計研究院有限公司，研究方向：環境保護。endprint