鄭展耀, 尹 芳, 張無敵, 趙興玲, 劉士清, 吳 凱, 王昌梅, 柳 靜, 楊 紅

(云南師范大學(xué) 能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 昆明 650500)

隨著氣候的變暖和人口的激增，能源和環(huán)境問題日益突出。發(fā)展可再生能源已成為社會發(fā)展的戰(zhàn)略要求。氫氣做為可再生清潔能源，熱值很高，約為143 kJ·g-1,其燃燒后的產(chǎn)物只有水，對環(huán)境造成的污染很小[1],目前制氫的技術(shù)包括礦物燃料制氫、電解水、生物制氫。其中生物制氫具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。在生物制氫的方法中，發(fā)酵法生物制氫技術(shù)在成本、制氫效率方面表現(xiàn)出更多的優(yōu)越性。餐廚垃圾、農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便、工業(yè)有機(jī)廢水以及生活污水等原料都可以作為厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的基質(zhì)，木薯酒精廢水是木薯通過EMP發(fā)酵途徑產(chǎn)乙醇過程中產(chǎn)生的廢棄物，其具有COD濃度高，含有大量的碳水化合物并且呈酸性，其中也有研究證明了木薯酒精廢水適合作為厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的基質(zhì)。

對于批量式發(fā)酵方法來說，影響厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的因素有pH值、溫度、接種量、氫分壓等。其中羅剛[2]等研究了不同初始pH值對木薯酒精廢水高溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響，研究結(jié)果表明，初始pH值6.0為高溫厭氧產(chǎn)氫的最佳值，累計(jì)產(chǎn)氫量為383 mL，單位基質(zhì)產(chǎn)氫量為70 mL·g-1。鄒中海[3]等研究了溫度對木薯酒精廢水高溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的研究，研究結(jié)果表明60℃產(chǎn)氫最佳，累計(jì)產(chǎn)氫量為383 mL。本文研究了不同接種量對木薯酒精廢水產(chǎn)氫的影響，以此來探究木薯酒精廢水厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫最適的接種量。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 發(fā)酵原料與接種物

木薯酒精廢水采集于玉米正常乙醇發(fā)酵蒸餾后，從中試實(shí)驗(yàn)室蒸發(fā)罐底部排出的廢水液，經(jīng)過固液分離后獲得，將其放在2℃～4℃的冰箱中冷藏以供實(shí)驗(yàn)使用。

接種物：污水處理廠脫水活性污泥首先經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室厭氧馴化，對污泥進(jìn)行篩選，以消除大顆粒和無機(jī)物質(zhì)。篩選出的污泥通過重復(fù)曝氣法處理[4]：首先將厭氧接種污泥曝氣1～3 h，控制溶解氧的濃度為1.0～2.0 mg·L-1,酒精廢水的濃度控制在15 g·L-1，然后沉淀21 h，最后將上清液排出，加入自來水定容到原來的體積，該過程重復(fù)7次，最終污泥由黑色變?yōu)辄S褐色，pH值降低到4.5左右，曝氣后的種泥用離子水洗三次以洗脫溶解性多糖和蛋白質(zhì)[4]，最后去掉上清液，微生物濃度以MLVSS(揮發(fā)性懸浮固體)計(jì)為38.03 g·L-1。物料的特性如表1所示。

表1 玉米酒精廢水與接種污泥的物料特性 (%)

1.1.2 pH值調(diào)節(jié)液[5]

(1)鹽酸溶液：取濃鹽酸16 mL 倒入100 mL 燒杯中，加蒸餾水至100 mL，配制成濃度為6 mol·L-1的鹽酸溶液。

(2)氫氧化鈉溶液：用天平稱取30 g 氫氧化鈉固體，加70 mL蒸餾水溶解，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的氫氧化鈉溶液。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

采用實(shí)驗(yàn)室常規(guī)的批量式發(fā)酵裝置，如圖1所示[6]。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 原料預(yù)處理

將木薯酒精廢水用自來水稀釋，避免COD過高引起實(shí)驗(yàn)的酸化。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用批量式發(fā)酵工藝，容積為500 mL，料系數(shù)為發(fā)酵罐的80%，即500 mL×80%=400 mL；設(shè)置3個實(shí)驗(yàn)組和3個對照組，每組均重復(fù)設(shè)置3個平行實(shí)驗(yàn)，發(fā)酵溫度維持在35℃±1℃。對照組：3個對照組按照接種量的30%，40%，50%分別加入120 mL，160 mL，200 mL，加水至400 mL。實(shí)驗(yàn)組：3個實(shí)驗(yàn)組按照接種量的30%，40%，50%分別加入120 mL，160 mL，200 mL，每個實(shí)驗(yàn)組各加入150 mL木薯酒精廢水(COD為28373 mg·L-1)，加水至400 mL。

1.2.3 測試項(xiàng)目及方法

(1)pH值的測定：采用PHS-3C型pH計(jì)測定，每1 d測定發(fā)酵液中的pH值。

(2)還原糖的測定：DNS比色法。

(3)TS和VS采用常規(guī)分析[7]進(jìn)行測定。

(4)產(chǎn)氣量測定：采用排水集氣法收集氣體并測定產(chǎn)氣量，實(shí)驗(yàn)啟動以后，每12 h定時記錄各組的產(chǎn)量。

(5)氫氣含量測定：采用氣相色譜檢測氫氣含量，Porapak Q不銹鋼填充柱，柱溫80℃，載氣為氮?dú)?。流速?0 mL·min-1，進(jìn)樣室溫度為80℃，檢測室熱導(dǎo)檢測器(TCD)，檢測室溫度120℃，橋電流120 mA。

(6)揮發(fā)性有機(jī)酸測定：液相組分(乙醇、乙酸、丙酸、丁酸戊酸、異丁酸、異戊酸)由氣相色譜儀測定，色譜柱為30 m×0.25 mm×0.25 μm的熔融硅膠毛細(xì)管色譜，用高純氮?dú)庾鬏d氣，其氣體流速為30 mL·min-1，進(jìn)樣方式為分流進(jìn)樣，分流比為10∶1，空氣和氫氣流速分別為400 mL·min-1，30 mL·min-1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)氣情況分析

2.1.1 凈產(chǎn)氫量

由圖2可知，實(shí)驗(yàn)一共進(jìn)行了106 h，30%接種量，40%接種量，50%接種量3個實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)氫趨勢均為先上升后下降并且均能較快地啟動，在第12 小時就開始產(chǎn)氫，產(chǎn)氫量分別為30 mL，17 mL，14 mL。3個實(shí)驗(yàn)組均在第70天達(dá)到了產(chǎn)氫高峰期，產(chǎn)氫量分別為176 mL，201 mL，146 mL，其中在第12小時至70小時產(chǎn)氫量變化趨勢為30%接種量實(shí)驗(yàn)組﹥40%接種量實(shí)驗(yàn)組﹥50%接種量實(shí)驗(yàn)組，說明隨著接種量的增加，實(shí)驗(yàn)啟動得越慢。但是40%接種量實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)氫高峰期的產(chǎn)氫量均要高于其他兩個實(shí)驗(yàn)組，這主要是因?yàn)殡S著接種量的增加產(chǎn)氫菌種更加豐富，但是接種量越多并不利于產(chǎn)氫菌的活性。隨著物料中的營養(yǎng)成分被產(chǎn)氫菌大量的消耗而減少，導(dǎo)致產(chǎn)氫菌的生長代謝減慢，產(chǎn)氫量下降，直到最后產(chǎn)氫停止。

圖2 凈產(chǎn)氫量變化曲線圖

2.1.2 氫氣成分含量

用氣相色譜法對各批次產(chǎn)生的氣體進(jìn)行檢測，結(jié)果表明，所有實(shí)驗(yàn)中只觀察到二氧化碳和氫氣。未檢測到甲烷的可能原因是，經(jīng)過重復(fù)預(yù)處理的接種污泥是以產(chǎn)氫菌為主，在該環(huán)境中甲烷生成菌不活躍。在J L Wang[8]的研究也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，其中在所做的實(shí)驗(yàn)中沒有檢測到甲烷。由圖3可以看出各實(shí)驗(yàn)組氫氣含量的變化趨勢均為先上升后下降。30%接種量，40%接種量，50%接種量實(shí)驗(yàn)組的氫氣含量均在第82小時達(dá)到最大值，分別為44.05%，36.50%，41.79%。其中30%接種量實(shí)驗(yàn)組的氫氣含量上升速度最快并且氫氣含量均要大于其他實(shí)驗(yàn)組，說明30%接種量的發(fā)酵環(huán)境更有利于產(chǎn)氫菌的活性，而隨著接種量的增加反而會抑制產(chǎn)氫菌的活性。

圖3 氫氣含量變化曲線圖

2.1.3 累積產(chǎn)氫量

圖4 累計(jì)產(chǎn)氫量變化曲線圖

由圖4可以看出，在整個發(fā)酵實(shí)驗(yàn)的過程中，各實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氣速率先增加，后趨于平緩。各實(shí)驗(yàn)組剛開始啟動階段，產(chǎn)氫速率上升較慢，在第46小時至70小時產(chǎn)氫速率最快，隨后產(chǎn)氣達(dá)到最高產(chǎn)氫速率階段，趨于平緩。30%接種量實(shí)驗(yàn)組的累計(jì)產(chǎn)氫量要高于其他兩個實(shí)驗(yàn)組。說明30%接種量更有利于木薯酒精廢水厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫。而且隨著接種量的增加，累積產(chǎn)氫量反而越少。說明接種量越高，對發(fā)酵產(chǎn)生有機(jī)酸等中間產(chǎn)物的利用率越低。

2.1.4 各實(shí)驗(yàn)組Modified Gompertz模型擬合的對比分析

在最原始的Gompertz 模型中，參數(shù)a，b，c是并不具有生物學(xué)相關(guān)意義的，所以在利用 Gompertz 模型擬合厭氧消化降解過程時，應(yīng)對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，獲得Modified Compertz模型如方程[9](1)：

(1)

式中：y(t)為時間t時的累積產(chǎn)氣量(accumulative biogas yield)，mL，當(dāng)t→∞時，y(t)→a，有Hm=a為最大累積產(chǎn)氣量，mL；Rm=a×c/e為最大產(chǎn)氣速率，mL·d-1；λ=(b-1)/c，λ為發(fā)酵滯留時間，d。e為exp(1)=2.71828。實(shí)際數(shù)據(jù)處理過程中，利用origin軟件對參數(shù)a,b,c進(jìn)行擬合，然后轉(zhuǎn)換為Hm，Rm、λ的值。根據(jù)各實(shí)驗(yàn)組實(shí)際累積產(chǎn)氣量(見圖4)并聯(lián)合Modified Gompertz模型擬合處理后得出結(jié)果如圖5～圖7與表2。

圖5 30%接種量實(shí)驗(yàn)組擬合曲線變化圖

圖6 40%接種量實(shí)驗(yàn)組擬合曲線變化圖

圖7 50%接種量實(shí)驗(yàn)組擬合曲線變化圖

表2 各實(shí)驗(yàn)組Modified Gompertz動力學(xué)參數(shù)比較

由圖5～圖7和表2可以看出，Modified Gompertz模型對不同試驗(yàn)組日產(chǎn)氣量的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到最大累積產(chǎn)氣量與圖5～圖7中實(shí)際累積產(chǎn)氣量相比，實(shí)際累積產(chǎn)氣量略低于最大累計(jì)產(chǎn)氣量，相對偏差分別為3.83%，4.17%，3.46%，所得到擬合曲線相關(guān)系數(shù)都在0.98以上，具有良好的相關(guān)性,因此模型擬合效果較好。對于累計(jì)產(chǎn)氫量來說30%接種量實(shí)驗(yàn)組﹥40%接種量實(shí)驗(yàn)組﹥50%接種量實(shí)驗(yàn)組，對于最大產(chǎn)氫速率來說30%接種量實(shí)驗(yàn)組﹥40%接種量實(shí)驗(yàn)組﹥50%接種量實(shí)驗(yàn)組，這說明了30%接種量實(shí)驗(yàn)組更有利于木薯酒精廢水厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫，因?yàn)殡S著接種量的增加，大分子有機(jī)酸被分解為小分子有機(jī)酸，提供給產(chǎn)氫菌產(chǎn)氫，但是隨著小分子有機(jī)酸乙酸、丁酸、丙酸等的積累又會抑制產(chǎn)氫菌的活性，所以才導(dǎo)致50%接種量實(shí)驗(yàn)組在累計(jì)產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫速率方面表現(xiàn)最差，30%接種量實(shí)驗(yàn)組在累計(jì)產(chǎn)氫量和最大產(chǎn)氫速率方面表現(xiàn)最佳。正是因?yàn)閾]發(fā)性有機(jī)酸的積累也導(dǎo)致了各實(shí)驗(yàn)組生物發(fā)酵滯留期的不同。在產(chǎn)氫率方面30%接種量實(shí)驗(yàn)組﹥40%接種量實(shí)驗(yàn)組﹥50%接種量實(shí)驗(yàn)組，與累計(jì)產(chǎn)氫量呈正相關(guān)關(guān)系。

綜上，認(rèn)為本試驗(yàn)所采用的幾種預(yù)處理方法中，30%接種量實(shí)驗(yàn)組累積產(chǎn)氫量達(dá)到522 mL與40%接種量實(shí)驗(yàn)組，50%接種量實(shí)驗(yàn)組相比分別提高了12.64%，33.52%。因此木薯酒精廢水厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫最適的接種量為30%。

2.2 料液中揮發(fā)性有機(jī)酸變化

厭氧發(fā)酵制氫過程伴隨著可溶性代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生，其中主要成分是揮發(fā)性脂肪酸(VFA)和一些其它溶劑產(chǎn)品。可溶性代謝產(chǎn)物的分析可以幫助我們確定反應(yīng)器中的發(fā)酵類型?？刂瓢l(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)pH值為5.5左右，發(fā)酵后料液中檢測到的VFA如圖8所示。

由圖8可知各實(shí)驗(yàn)組經(jīng)過厭氧發(fā)酵揮發(fā)性有機(jī)酸均有不同程度的積累。各實(shí)驗(yàn)組的揮發(fā)性有機(jī)酸的成分主要為丁酸、乙酸和少量的丙酸，因此各實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氫發(fā)酵類型為丁酸型發(fā)酵。30%接種量實(shí)驗(yàn)組、40%接種量實(shí)驗(yàn)組、50%接種量實(shí)驗(yàn)組的總揮發(fā)性有機(jī)酸的含量分別為4829.3232 mg·L-1，7916.5488 mg·L-1，11574.6533 mg·L-1，根據(jù)Patcharee Intanooa[10-11]利用兩級上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)從木薯廢水中生產(chǎn)氫氣和甲烷研究中指出，抑制產(chǎn)氫菌揮發(fā)性有機(jī)酸的含量大約為8000 mg·L-1至10000 mg·L-1左右，因此40%接種量實(shí)驗(yàn)

圖8 各實(shí)驗(yàn)組發(fā)酵后揮發(fā)性有機(jī)酸的變化

組和50%接種量實(shí)驗(yàn)組累積的揮發(fā)性有機(jī)酸均對產(chǎn)氫菌產(chǎn)生了不同程度的抑制，導(dǎo)致產(chǎn)氫量下降。

2.3 料液中底物降解情況

本實(shí)驗(yàn)以木薯酒精廢水為原料厭氧發(fā)酵制氫，通過厭氧發(fā)酵前后TS，VS，COD和還原糖的差值來反映底物降解效率。在表3中表示出了各實(shí)驗(yàn)組對料液的降解情況。

表3 各實(shí)驗(yàn)組發(fā)酵前后料液的TS，VS，COD和還原糖的分析

由表3可知底物中TS,VS,COD,還原糖均有不同程度的降解，其中降解情況為30%接種量實(shí)驗(yàn)組﹥40%接種量實(shí)驗(yàn)組﹥50%接種量實(shí)驗(yàn)組，這其中和累計(jì)產(chǎn)氫量并呈正相關(guān)關(guān)系。這主要說明接種量的多少，影響了其中微生物菌群的活性和富集程度，導(dǎo)致其物料的利用程度會有所不同。 30%接種量實(shí)驗(yàn)組對物料的利用程度最高，其中TS降解率為14.03%,VS降解率為32.32%,COD降解率為32.23%,還原糖利用率為83.00%，由此看來對于3個實(shí)驗(yàn)組來說，30%接種量更能保持厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過程中產(chǎn)氫菌的活性。

3 產(chǎn)氣潛力對比分析

為更加客觀地評價木薯酒精廢水的產(chǎn)氫潛力，以30%接種量實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氫情況與其它不同種類發(fā)酵原料的產(chǎn)氫潛力進(jìn)行對比，結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出，與其它原料相比，木薯酒精廢水無論是在發(fā)酵周期或者產(chǎn)氫潛力方面，都表現(xiàn)出更佳的優(yōu)越性。一是因?yàn)槟臼砭凭珡U水營養(yǎng)成分高而且被分解，使產(chǎn)氫菌更容易被利用；二是因?yàn)榻?jīng)過預(yù)處理的接種污泥使產(chǎn)氫菌富集，有更為優(yōu)勢的產(chǎn)氫菌種。綜上來說木薯酒精廢水是一種適合產(chǎn)氫發(fā)酵的原料。

表4 不同原料的產(chǎn)沼氣潛力

4 結(jié)論

(1)以木薯酒精廢水為發(fā)酵原料，在中溫35℃±1℃進(jìn)行批量式的厭氧產(chǎn)氫發(fā)酵試驗(yàn)，各實(shí)驗(yàn)組均在第106小時之后產(chǎn)氫量基本為零，故發(fā)酵周期為106 h。實(shí)驗(yàn)在第12小時就開始產(chǎn)氫，并在第70小時達(dá)到峰值，故實(shí)驗(yàn)啟動較快。

(2)Modified Gompertz模型分析不同接種量對木薯酒精廢水厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫影響，具有較好的相關(guān)性，根據(jù)Modified Gompertz模型獲得相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，可以對各實(shí)驗(yàn)組木薯酒精廢水厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效果做出合理評價。就累積產(chǎn)氫量影響、原料轉(zhuǎn)化效率而言，各實(shí)驗(yàn)組的對比處理效果為30%接種量>40%接種量>50%接種量。其中30%接種量最適合木薯酒精廢水厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫，累計(jì)產(chǎn)氫量為522 mL，最大產(chǎn)氫速率為14.44 mL·h-1，TS產(chǎn)氫率為139.20 mL·g-1，VS產(chǎn)氫率為 242.80 mL·g-1。

(3)各實(shí)驗(yàn)組在發(fā)酵完成后均出現(xiàn)了不同程度的揮發(fā)性有機(jī)酸的積累，30%接種量實(shí)驗(yàn)組，40%接種量實(shí)驗(yàn)組，50%接種量實(shí)驗(yàn)組的總揮發(fā)性有機(jī)酸的含量分別為4829.3232 mg·L-1，7916.5488 mg·L-1，11574.6533 mg·L-1，30%接種量實(shí)驗(yàn)組的揮發(fā)性有機(jī)酸的含量更適合于產(chǎn)氫菌的活性。各實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氫發(fā)酵類型為丁酸型發(fā)酵。

(4)對比各實(shí)驗(yàn)組，30%接種量實(shí)驗(yàn)組對物料的利用程度最高，其中TS降解率為14.03%，VS降解率為32.32%，COD降解率為32.23%，還原糖利用率為83.00%，而且通過與其它原料的產(chǎn)氫潛力對比木薯酒精廢水是一種適合的產(chǎn)氫發(fā)酵原料。