厌氧发酵产氢污泥的驯化技术

化 工 进 展

2009年第28卷增刊 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS

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厌氧发酵产氢污泥的驯化技术

刘晓烨1,2，庄蓓岚1，宋倩雯2，杨 睿2，韩 伟1，李永峰2

（1 东北林业大学林学院，哈尔滨 150040；2 上海工程技术大学化学化工学院，上海 201620）

摘 要：以糖蜜废水为发酵底物，以污水处理厂剩余污泥为反应器启动污泥，污泥采用曝气氧化预处理方法，从而达到厌氧发酵产氢目的并提高其发酵产氢能力。试验表明，经曝气氧化预处理后的污泥可作为厌氧发酵生物制氢的接种污泥，且具有较高的产氢能力，在实验条件下，反应器稳定运行时产气量为3 L，发酵产气中氢气浓度为75.77%，液相末端发酵产物主要为乙醇、乙酸。 关键词：氢气；发酵；厌氧污泥

已在氢气作为一种无污染可再生的理想燃料[1]，

城市污水处理厂剩余污世界范围内得到广泛重视[2]。

泥或其它生物质能制取氢气，反应条件温和，具有开发新能源、节省能量消耗及净化环境的重要意

－

义[34]。利用污水厂预处理剩余污泥厌氧发酵产氢是一个非常有意义并具有广阔发展前景的新的研究方向[5]。大量研究表明，提高连续流混合菌种生物制氢产氢能力的有效途径之一就是提高混合菌种中产氢微生物的数量与产氢活性[6]。为了降低成本，并能在未来的工业化生产中方便地获得大量的接种污泥，研究生物制氢反应器接种污泥的特性，降低工业化产氢生产成本以及运行过程中的维护操作均有着深

城市污水处理厂的剩余污泥中的微生物远的意义[7]。

种类繁多，有严格厌氧细菌、兼性细菌和好氧细菌，有产酸菌、产氢菌和耗氢菌等。为了最大限度地提高接种污泥中产氢菌的数量和活性，把耗氢菌的数量降到最低，缩短反应器启动周期，国内外研究中对接种至生物制氢反应器的污泥采用了多种方法进行预处理，主要有热处理、曝气氧化、超声波处理等[8]，如Lin等[9]成功地用热处理污泥发酵水解物产氢，其产氢率达到1.7 g/kg（TCOD总化学需氧量）。本文采用了具有较低工业化应用成本的曝气预处理方式，以糖蜜废水为底物，利用CSTR反应器作为反应装置，取得了较高的氢气产量，为厌氧处理综合利用氢气的工艺设计提供基础研究。

置、驯化池、加热温控装置三个部分组成。污泥驯化实验装置如图1所示。

1

23

图1 污泥驯化实验装置

1—曝气装置；2—驯化池；3—温控装置

1.2 连续流产氢反应器

实验采用的生物制氢反应器由有机玻璃制成，属连续流搅拌槽式反应器（CSTR），内设气-液-固三相分离装置，为反应区与沉淀区一体化结构。反应器设有搅拌装置，通过轴封密闭以保证反应器的厌氧条件。反应器外壁缠绕电热丝，通过温控系统保持反应器内温度为（35±1）℃。如图2所示为连续流产氢反应器。反应器总容积12.5 L，有效容积5.4 L。 1.3 试验废水

试验废水采用甜菜加工工艺中产生的糖蜜废

5

1 实验部分

1.1 污泥驯化实验装置

驯化污泥来源于哈尔滨市中药二厂污水处理车间的剩余污泥，经过沉淀、淘洗、过滤去除大颗粒无机物质。采用COD为10 000 mg/L的糖蜜废水间歇曝气培养方式。污泥驯化实验系统主要由曝气装

图2 连续流产氢反应器

1—废水箱；2—计量泵；3—反应器；4—搅拌器；

5—湿式气体计量计；6—水封

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水，配水按COD: N: P=1000: 5: 1的营养比投加一定量复合肥，以保证微生物生长过程中对N、P等营养的需求。

1.4 主要仪器和分析方法

发酵气体产物及组分采用SC-Ⅱ型气相色谱测定，热导检测器（TCD），不锈钢色谱填充柱长2.0 m，担体Porapak Q，50～80目。采用氮气为载气，流速为30 mL/min。

液相末端发酵产物(VFAs)组分及含量采用GC-122型气相色谱测定。氢火焰检测器，不锈钢色谱填充柱长2.0 m，担体为GDX-103型，60～80目。柱温、气化室和检测室温度分别为190℃、220℃、220℃。氮气作为载气，流速为30 mL/min。

采用PHS-25型酸度计测量pH值，LML-1型湿式气体流量计计量产气量。

2 结果与分析

2.1 接种污泥的预处理

为了获得氢气，必须抑制或杀死污泥中的耗氢微生物（主要为产甲烷菌），以截断污泥厌氧消化过程中的氢转化过程。由于污泥中的一些产氢微生物能形成芽孢，其耐受不利环境条件的能力比普通的微生物更强，因此可以通过预处理抑制污泥中的耗氢微生物，达到筛选产氢微生物的目的。目前常用的预处理方法主要有热处理、曝气氧化、超声波处理等。不同的预处理条件对混合菌系的组成有较大的影响，随之对产氢量也会有不同程度的影响。 2.1.1 污泥预处理方式

经过预处理的污泥产氢量明显高于研究表明[10]，

未经任何预处理的污泥产氢量。加热这种预处理方法是以杀灭不产芽孢的细菌为目的，从而抑制耗氢细菌的生存。但是这种预处理方法也抑制了细菌的活性。曝气氧化预处理是通过提高系统的氧化还原电位（ORP）值来达到杀灭严格厌氧细菌的目的，而兼性细菌和产芽孢的细菌可以在这种环境下存活。比较可知，这样的接种污泥有着更为丰富的生物多样性，这也就为启动期的驯化提供了丰富的微生物种群，从而成功实现了生物制氢反应器的高效快速启动。

本实验采用间歇曝气培养方式。糖蜜废水为底物，控制COD进水质量浓度为10 000 mg/L。曝气氧化过程中，大量微生物尤其是严格厌氧菌不适应环境的变化而死亡，曝气池上层会出现大量污泥聚集，每天停曝1 h静沉，去掉上层被“淘汰”的污泥。间歇曝气培养2周左右后，观察污泥的颜色逐

渐由起始灰黑色变为黄褐色，并形成沉降性能良好的絮状污泥时接种至反应器。经显微镜观察生物相，污泥生物种类十分丰富。 2.1.2 温度

温度是影响微生物生长和繁殖的一个重要因素。微生物的生长和繁殖是通过生化反应来进行的，而生化反应的酶促反应要求在一定的温度范围内才能正常进行，这就决定了微生物生长也要求一定的温度范围。同时温度还影响细胞质膜的流动性，温度低，流动性差，不利于物质的运输，影响微生物对营养物质的吸收和代谢产物的分泌。研究证明，温度对产氢产酸发酵有显著影响，当温度调节在35～38 ℃时，反应器中的厌氧活性污泥和微生物菌群具有最强的发酵与繁殖速度，其有机物酸化率及产气率达到最大。为了减少温度变化对微生物的影响，污泥驯化阶段温度控制在35℃。 2.1.3 pH值

pH值的变化对污泥驯化系统有十分重要的意义。这是因为大量有机挥发酸（VFA）的形成和积累对微生物产生显著影响。产酸发酵细菌对pH值的变化十分敏感，当驯化池内pH值在一定范围内变化时，也会造成其微生物生长繁殖速率及微生物群落发生改变。若pH值过高会有大量的产甲烷菌形成，导致反应器启动后产氢率较低；但是过低的pH值会使产氢细菌偏离正常生理条件下的pH值，使其失去产氢活性。因此，维持一定的pH值对实现发酵产氢是至关重要的。本实验采用COD为10 000 mg/L的糖蜜废水，间歇曝气培养2周后，pH值为4.63。较低的pH值可有效抑制产甲烷菌的形成，更有利于反应器产酸的快速启动。 2.1.4 污泥接种量

较高的污泥接种量有利于反应器的快速启动。污水处理厂剩余污泥经曝气培养、厌氧发酵时，会有大量微生物不适应环境的变化而死亡，因此厌氧发酵产氢反应器的建立必须保证有足够数量的可驯化污泥。研究表明[5]，在污泥接种量不小于6.5 gVSS/L时，产酸相可在20天内快速启动成功。本次实验接种污泥量为17.74gVSS/L。 2.2 反应器的启动

在本研究中，反应器启动后的水力停留时间（HRT）控制在6 h，进水COD质量浓度前5天为4000 mg/L，从第6天降到2000 mg/L。 2.2.1 产气及氢气含量的变化

如图3为反应器运行期间的产气及氢气含量的

增刊 刘晓烨等：厌氧发酵产氢污泥的驯化技术 ·529·

变化情况。由于本实验接种污泥量较高，而且经过曝气氧化预处理后，微生物活性达到63.72%。较高的污泥接种量及污泥活性促进了反应器厌氧发酵进程。反应器运行前3天累计产气量为19.39 L，第4

总产气量 / L·d

–1

807060

氢气含量/%

5040

302010

t/d

图3 反应器运行过程中产气量与氢气含量变化

天产气量达到12.55 L，检测发酵气体发现，氢气含量达到66.24%。随着反应器内pH值的下降及进水

Ρ / mg·L-1

乙醇

乙酸

丙酸

丁酸

COD质量浓度第6天由其始的4000 mg/L调整到2000 mg/L，反应器产气量持续下降，并在第8天达到最低值0.46 L。随着调节反应器系统内pH值并达到稳定后，产气量也随之上升，并在反应器后续运行阶段稳定在3 L。氢气含量变化不大，由第4天的66.24%上升，反应器运行到第12天，氢气含量稳定在75.77%。 2.3 液相末端发酵产物

反应器在运行12天后，系统达到相对稳定状态。液相末端发酵产物检测结果见表1，其中ρ为液相末端发酵产物质量浓度。此时，反应器的液相末端发酵产物总量为1069.756 mg/L左右，其中乙醇和乙酸之和占液相末端发酵产物总量的77.63%，说明系统形成了典型的乙醇型发酵[11]。乙醇型发酵，被认为是有机废水发酵法生物制氢最佳的产氢发酵类型[12]。

表1 稳定阶段反应器的液相末端发酵产物及组成

t/d

戊酸 发酵产物总量

Ｗ(乙醇＋乙酸) /发酵产物总产量/%

77.63

12 476.977 353.478 73.845 119.065 46.391 1069.756

3 结 论

（1）以污水处理厂剩余污泥为反应器启动污泥，经曝气氧化预处理后，可作为厌氧发酵生物制氢的接种污泥，且具有较高的产氢能力。

（2）以糖蜜废水为发酵底物，在实验条件下，当反应器达到稳定运行阶段时，产气量为3 L，发酵产气中氢气浓度为75.77%。液相末端发酵产物主要为乙醇、乙酸。

参 考 文 献

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基金项目：上海市重点科技攻关项目（071605122）、上海工程技术大学大学生科研训练基金（2008）及上海市教委科研项目（S200701004）资助。 联系人：李永峰（1961—），男，教授，博士，研究方向为环境工程。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/59v1.html