?

以葡萄糖為基質(zhì)的IC厭氧反應(yīng)器產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷比較分析*

侯欣悅，尹芳，張無(wú)敵，柳靜，王昌梅，趙興玲，楊紅，劉士清

(云南師范大學(xué) 太陽(yáng)能研究所，云南 昆明 650500)

摘要：在以葡萄糖為基質(zhì)的厭氧消化降解過(guò)程中，根據(jù)出水中所含的揮發(fā)性脂肪酸之間變化的關(guān)系，將單個(gè)IC厭氧反應(yīng)器與兩個(gè)IC厭氧反應(yīng)器串聯(lián)進(jìn)行對(duì)比，得出以COD在4 000～5 500 mg/L的葡萄糖配水為進(jìn)水的情況下，兩個(gè)IC厭氧反應(yīng)器的COD降解率高于單個(gè)；產(chǎn)酸相相對(duì)于單個(gè)反應(yīng)器更易發(fā)生丁酸型發(fā)酵；兩個(gè)厭氧反應(yīng)器的能源利用率是單相反應(yīng)器的1.22倍.

關(guān)鍵詞：IC反應(yīng)器；葡萄糖；產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷耦聯(lián)；丁酸型發(fā)酵

厭氧發(fā)酵技術(shù)在處理有機(jī)廢棄物的同時(shí)獲得氫氣或者甲烷，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注[1].氫氣作為一種清潔無(wú)污染的綠色能源備受大家的關(guān)注，它燃燒后只產(chǎn)生水，不排放任何污染物質(zhì)，且燃燒熱值高達(dá)142.35 kJ/g，為汽油的2.75倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍[2].甲烷也是一種高能燃料，雖然其燃燒產(chǎn)物為二氧化碳和水，但由于釋放的碳來(lái)自于植物所固定的大氣中的碳，本質(zhì)上厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷是碳中性的.氫氣和甲烷分別是厭氧發(fā)酵不同階段的產(chǎn)物,為了區(qū)別于傳統(tǒng)的厭氧發(fā)酵技術(shù)，稱之為兩相厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷技術(shù).

兩相厭氧消化系統(tǒng)(Two-Phase Anaerobic Digestion,TPAD)是在20世紀(jì)70年代初由美

國(guó)Ghosh和Pohland開(kāi)發(fā)的，并于1977年在比利時(shí)投入實(shí)際應(yīng)用[3].

1以葡萄糖為基質(zhì)的兩相厭氧消化實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1.1發(fā)酵原料：葡萄糖

1.1.2接種物：實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期馴化的混合厭氧活性污泥(pH=7.5).

1-產(chǎn)酸相進(jìn)水桶，2-蠕動(dòng)泵，3-IC厭氧反應(yīng)器，4-產(chǎn)酸相出水桶/產(chǎn)甲烷相進(jìn)水桶，5-氣柜，6-產(chǎn)甲烷相出水桶

圖1兩個(gè)厭氧反應(yīng)器

Fig.1Two IC reactors in series

1-進(jìn)水桶，2-蠕動(dòng)泵，3-IC厭氧反應(yīng)器，4-出水桶，5- 氣柜

1.1.3實(shí)驗(yàn)裝置：圖1為實(shí)驗(yàn)所用的兩個(gè)厭氧反應(yīng)器系統(tǒng)，由兩個(gè)IC反應(yīng)器分別作為產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相，每一個(gè)IC反應(yīng)器有一個(gè)進(jìn)水桶、一個(gè)出水桶、一個(gè)蠕動(dòng)泵和一個(gè)氣柜組成.圖2為與兩個(gè)反應(yīng)器系統(tǒng)相對(duì)比的單的IC反應(yīng)器.

1.2實(shí)驗(yàn)方法

用葡萄糖配置4 000～5 500 mg/L的COD配水，固定水力滯留時(shí)間為24 h.兩個(gè)IC反應(yīng)器串聯(lián)系統(tǒng)中產(chǎn)酸相直接進(jìn)葡萄糖水，產(chǎn)甲烷相進(jìn)產(chǎn)酸相的出水，并加入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(表1).單個(gè)IC反應(yīng)器配水直接進(jìn)入同樣COD的葡萄糖水，并直接加入與甲烷相相同量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì).

表1　營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)配比

1.3分析項(xiàng)目及設(shè)備

有機(jī)酸：GC9790Ⅱ型氣相色譜儀分析儀；pH：精密pH試紙；氣體：GC9790Ⅱ型氣相色譜儀分析儀；COD：COD max在線測(cè)試儀；產(chǎn)氣量：氣柜.

2數(shù)據(jù)及其分析

2.1COD去除率

表2　單個(gè)IC與兩個(gè)IC反應(yīng)器串聯(lián)COD去除率

由表2可以看出，在4 000～5 500 mg/LCOD的范圍內(nèi)，兩個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)的COD去除率要高于單相反應(yīng)器，并且進(jìn)水COD越高的情況下，兩個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)的COD去除率高于單個(gè)反應(yīng)器的去除率.

2.2反應(yīng)器末端出水中有機(jī)酸含量及數(shù)據(jù)分析

表3　乙酸含量表

圖3乙酸含量

Fig 3Comparison of acetic acid

由表3和圖3可以看出，大部分情況下，兩個(gè)厭氧反應(yīng)器串聯(lián)系統(tǒng)出水中乙酸的含量要低于單個(gè)厭氧反應(yīng)器，說(shuō)明系統(tǒng)對(duì)乙酸的使用更徹底.

表4　氣體含量表

圖4　丙酸含量

日期單個(gè)反應(yīng)器丙酸含量/(mg/L)兩個(gè)反應(yīng)器中甲烷相丙酸含量/(mg/L)7.1766.0341.337.21525.12149.407.28311.016.507.31382.2238.08

產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群在有機(jī)物厭氧降解中，一定條件下可將丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等有機(jī)揮發(fā)酸和醇類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙酸，同時(shí)釋放分子氫[7].由表3和表4可以看出兩個(gè)IC反應(yīng)器串聯(lián)系統(tǒng)的乙酸變化含量較高，同時(shí)系統(tǒng)所產(chǎn)生的H2高于單個(gè)IC反應(yīng)器，表明兩個(gè)IC反應(yīng)器串聯(lián)系統(tǒng)內(nèi)的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌更為活躍.

由于產(chǎn)甲烷菌只能直接利用甲酸、乙酸和甲醇，而由乙酸和丙酸的數(shù)據(jù)對(duì)比得出，兩個(gè)IC反應(yīng)器系統(tǒng)出水中乙酸和丙酸的含量均少于單個(gè)反應(yīng)器，因此兩個(gè)IC反應(yīng)器系統(tǒng)對(duì)乙酸和丙酸的利用更徹底，表明兩個(gè)IC反應(yīng)器串聯(lián)系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷相反應(yīng)器的產(chǎn)甲烷菌活性很可能高于單個(gè)IC厭氧反應(yīng)器.

表6　丁酸含量對(duì)比

兩個(gè)IC反應(yīng)器串聯(lián)系統(tǒng)的產(chǎn)酸相的出水pH維持在4.1左右，產(chǎn)酸相出水作為產(chǎn)甲烷相進(jìn)水，產(chǎn)甲烷相出水中的丁酸含量高于單個(gè)IC反應(yīng)器，因此判定產(chǎn)酸相會(huì)發(fā)生丁酸型發(fā)酵，而且單個(gè)反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生的丁酸型發(fā)酵較少.

2.3能源利用效率

沼氣發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷有72%來(lái)自乙酸的代謝，有28%由氫氣還原二氧化碳產(chǎn)生[6].研究發(fā)現(xiàn)，每產(chǎn)生1 mol的甲烷就要消耗4 mol的氫氣，能量損失達(dá)169.2 kJ，從能源利用效率的角度考慮這是不合算的[7]，因此若將氫氣單獨(dú)利用，理論上可以增加原料的能源利用效率.

實(shí)驗(yàn)原料的能源利用率利用下式計(jì)算：

式中：E——原料的能源利用率；

VH2——?dú)錃獾捏w積(mL)；

VCH4——甲烷的體積(mL)；

QH2——?dú)錃獾娜紵裏嶂?12.86J/mL)；

QCH4——甲烷的燃燒熱值(35.822J/mL)；

Q——葡萄糖的燃燒熱值(15 594.4J/g)；

m——葡萄糖的使用量(g).

由上式計(jì)算出這一階段試驗(yàn)中單個(gè)IC反應(yīng)器和兩個(gè)IC厭氧反應(yīng)器串聯(lián)系統(tǒng)的能源利用率，結(jié)果見(jiàn)表7.

表7　能源利用率

由表7可知，兩個(gè)IC厭氧反應(yīng)器串聯(lián)的能源利用率要高于單個(gè)IC反應(yīng)器.

3結(jié)論

在4 000～5 500mg/LCOD的葡萄糖進(jìn)水條件下：

⑴兩個(gè)IC厭氧反應(yīng)器串聯(lián)的COD降解率高于單個(gè)IC厭氧反應(yīng)器；

⑵相比單個(gè)IC反應(yīng)器，兩個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)對(duì)乙酸和丙酸的利用更徹底；

⑶由于產(chǎn)酸相pH處于4.1左右，使得產(chǎn)甲烷相出水中丁酸的含量高于單相反應(yīng)器出水中丁酸的含量，說(shuō)明在pH為4.1的條件下更容易發(fā)生丁酸型發(fā)酵；

⑷兩個(gè)IC厭氧反應(yīng)器串聯(lián)系統(tǒng)的能源利用率要高于單個(gè)IC反應(yīng)器的能源利用率，前者是后者的1.22倍.

參考文獻(xiàn):

[1]劉爽.混合原料厭氫發(fā)酵產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷技術(shù)研究[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[2]蔡木林，劉俊新.厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響因素[J].環(huán)境科學(xué)，2005，26(2)：98-101.

[3]POHLANDFG,GHOSHS.Developmentinanaerobicstabilizationoforganicwastes：Thetwo-phaseconcept[J].EnvironLett,1971,1(1):255-566.

[4]呂炳南，陳志強(qiáng).污水生物處理新技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[5]冼超彥.ABR作為產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的兩相厭氧工藝處理有機(jī)廢水的試驗(yàn)研究[D].廣州：華南理工大學(xué),2010.

[6]張無(wú)敵，宋川洪，尹芳，等.沼氣發(fā)酵與綜合利用[M].昆明：云南科技出版社，2004.

[7]秦智，任南琪，李建政.生物制氫反應(yīng)器產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群對(duì)揮發(fā)酸的轉(zhuǎn)化[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2010，31(4):407-411.

[8]尹芳，胡覺(jué)，張無(wú)敵,等.紫莖澤蘭產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷聯(lián)合發(fā)酵的研究[J].科學(xué)通報(bào)，2010，55(36)：3469-3476.

The Comparative Analysis with Glucose as Substrate of IC Anaerobic

Reactor to Produce Hydrogen and Methane

HOU Xin-yue, YIN Fang, ZHANG Wu-di, LIU Jing, WANG Chang-mei,

ZHAO Xing-ling, YANG Hong, LIU Shi-qing

(Yunnan Normal University,Kunming 650500,China)

Abstract:In the process of anaerobic digestion degradation with glucose as the substrate,we compared single IC anaerobic reactor with two IC anaerobic reactors in series on the bases of the changes of volatile fatty acids.It came to a conclusion that under the condition of the glucose water with COD ranged from 4 000 to 5 500 mg/L,two IC anaerobic reactors in series of COD degradation rate was higher than single.And butyrate-type fermentation were more likely to occur in the two IC reactors in series than the single one.Furthermore，the energy utilization rate of two anaerobic reactor was 1.22 times of the single reactor.

Keywords:IC reactor; Glucose; Co-fermentation of hydrogen and methane; Butyrate-type fermen tation

中圖分類號(hào)：S216.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-9793(2015)06-0023-05

通信作者：尹芳(1967-)，女，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事生物質(zhì)能方面研究.

作者簡(jiǎn)介：侯欣悅(1990-)，女，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事生物質(zhì)能與環(huán)境工程方面研究.

基金項(xiàng)目：高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20135303110001)、國(guó)家自然科學(xué)基金(51366015)、云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金(2014FA030)和云南省科技創(chuàng)新提升計(jì)劃(2013DH041)聯(lián)合資助項(xiàng)目.

收稿日期：*2015-10-10