陳雪梅，晏 婭，楊 樂(lè)，柳 靜，楊 紅，尹 芳，張無(wú)敵

(云南師范大學(xué)，云南 昆明 650500)

生物制氫是從自然界獲取氫氣的重要途徑之一。厭氧發(fā)酵制氫的原料來(lái)源廣泛，包括有機(jī)廢水、農(nóng)業(yè)廢棄物、畜禽糞便等[1]。到目前為止，已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)厭氧發(fā)酵制氫做了大量探究，并且已經(jīng)由之前的批量式工藝向高效厭氧反應(yīng)器轉(zhuǎn)變。據(jù)查閱，現(xiàn)有的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的研究包括：不同反應(yīng)器的產(chǎn)氫性能的探究[2]，反應(yīng)器最佳運(yùn)行參數(shù)的探究[3-5]，不同產(chǎn)氫發(fā)酵類(lèi)型的比較[6]，高效產(chǎn)氫微生物的分離、篩選及馴化[7]等。

沼氣發(fā)酵技術(shù)在我國(guó)歷經(jīng)了百年的發(fā)展，已在節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用，通過(guò)沼氣發(fā)酵技術(shù)處理有機(jī)廢棄物，不僅能回收甲烷這一清潔能源，還能有效地防止環(huán)境污染[8]。因此有大量學(xué)者都對(duì)此展開(kāi)了研究，迄今為止，常見(jiàn)的厭氧反應(yīng)器包括第一代反應(yīng)器(如全混合式反應(yīng)器CSTR)，第二代反應(yīng)器(如升流式厭氧污泥床UASB)和第三代反應(yīng)器(如膨脹顆粒污泥床EGSB和內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器IC)等[9]。其他新型的厭氧反應(yīng)器也在逐漸地被發(fā)展和利用。和產(chǎn)氫類(lèi)似，許多學(xué)者也在不斷探究反應(yīng)器的運(yùn)行參數(shù)[10-12]。

厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫速率快，且在過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸，這些有機(jī)酸會(huì)積累在體系中或排出體系外[13]。有機(jī)酸是厭氧消化產(chǎn)甲烷的重要中間產(chǎn)物[8,14]，可以作為產(chǎn)甲烷菌群的直接碳源被利用，對(duì)提高厭氧體系產(chǎn)甲烷的效率具有明顯效果。因此本實(shí)驗(yàn)圍繞UASB反應(yīng)器利用玉米酒精廢醪厭氧消化產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷兩個(gè)模式展開(kāi)，比較它們的有機(jī)酸變化情況、產(chǎn)氣情況、污泥處理方式和能源轉(zhuǎn)化效率，可為之后將厭氧消化產(chǎn)氫過(guò)程和產(chǎn)甲烷過(guò)程分離，在得到氫氣的同時(shí)提高產(chǎn)甲烷效率的相關(guān)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)原料為玉米酒精廢醪[15]，是玉米通過(guò)常規(guī)乙醇發(fā)酵并蒸餾后，從中試實(shí)驗(yàn)室蒸發(fā)罐底部冷卻后排出的廢醪，放置于0℃的冰箱中儲(chǔ)藏備用。

1.2 接種污泥

產(chǎn)氫時(shí)，接種污泥為實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期馴化并經(jīng)過(guò)高溫?zé)崽幚磉^(guò)后的厭氧活性污泥。其理化性質(zhì)如表1所示。

表1 產(chǎn)氫接種污泥的主要性質(zhì)

產(chǎn)甲烷時(shí)，接種污泥為實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期馴化的厭氧活性污泥。其主要性質(zhì)如表2所示。

表2 產(chǎn)甲烷接種污泥的主要性質(zhì)

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置為UASB厭氧反應(yīng)器，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，高徑比為5∶1，有效容積為1.65 L。在反應(yīng)器底部設(shè)有進(jìn)料口和出泥口，中部平均分布3個(gè)取樣口[14]。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用聚氯乙烯(PVC)軟管緊密纏繞于反應(yīng)器外圍，并在軟管內(nèi)通入由溫控儀控制溫度的循環(huán)水(溫控儀精度±1℃)，確保反應(yīng)器內(nèi)溫度恒定、不受外界氣溫變化干擾。裝置還配備蠕動(dòng)泵、濕式氣流計(jì)和氣柜，其中各部分之間由導(dǎo)氣管連接，整個(gè)實(shí)驗(yàn)體系從啟動(dòng)開(kāi)始持續(xù)運(yùn)行。

1.取氣口；2.氣柜；3.濕式氣體流量計(jì)；4.導(dǎo)氣管；5.出料口；6.取樣口；7.導(dǎo)氣管；8.排泥口；9.蠕動(dòng)泵；10.恒溫水浴

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)整個(gè)實(shí)驗(yàn)為期90天。利用熱水循環(huán)管道對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行(33±1)℃恒溫處理，開(kāi)始前先檢查實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性，合格后在反應(yīng)器內(nèi)加入活性污泥[17]。加入量占反應(yīng)器有效容積的1/3[16]。

(2)產(chǎn)氫時(shí)，首先通過(guò)蠕動(dòng)泵逐漸加入與自來(lái)水稀釋后的葡萄糖模擬廢水來(lái)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，其中葡萄糖∶自來(lái)水=5 g∶1 L，COD濃度為2580 mg·L-1。后連續(xù)向反應(yīng)器中加入低濃度的玉米酒精廢水，COD濃度為4370 mg·L-1,固定水力滯留時(shí)間HRT為9.9 h; 在反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行，氫氣含量達(dá)到30%的情況下,提高COD的濃度至6000 mg·L-1,并改變水力滯留時(shí)間HRT為7.9 h;在反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定，氫氣含量達(dá)到35%的情況下，提高COD濃度至8450 mg·L-1,固定水力滯留時(shí)間HRT不變。

(3)產(chǎn)甲烷時(shí)，首先通過(guò)蠕動(dòng)泵逐漸加入稀釋的玉米酒精廢水來(lái)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，其中酒精廢水∶自來(lái)水=1∶25(質(zhì)量比)。連續(xù)向反應(yīng)器中加入低濃度的玉米酒精廢水，COD濃度為4540 mg·L-1，固定水力滯留時(shí)間HRT為3.3 d；在反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行，甲烷含量達(dá)到50%的情況下，提高COD的濃度至5730 mg·L-1，并改變水力滯留時(shí)間HRT為2.06 d；在反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定，甲烷含量達(dá)到65%的情況下，提高COD濃度至7000 mg·L-1，固定水力滯留時(shí)間HRT不變。

帶教老師必須熱愛(ài)臨床教學(xué)工作，具有為人師表的品質(zhì)，甘為人梯、無(wú)私奉獻(xiàn)。能以身作則，具有良好的醫(yī)德醫(yī)風(fēng)，遵紀(jì)守法，為人正派；愛(ài)崗敬業(yè)，熱愛(ài)本職工作，工作作風(fēng)謙遜、嚴(yán)謹(jǐn)；并具有良好的團(tuán)隊(duì)合作精神。具有本科及以上學(xué)歷、高年資主治醫(yī)師以上的專(zhuān)業(yè)資質(zhì)，具備較扎實(shí)、全面的兒童保健基礎(chǔ)知識(shí)。具備一定的臨床科研能力，具有將臨床問(wèn)題與科研相聯(lián)系的敏銳洞察力。

1.5 測(cè)定項(xiàng)目

測(cè)定項(xiàng)目見(jiàn)表3。

表3 測(cè)定項(xiàng)目

2 結(jié)果與分析

2.1 日產(chǎn)氣量和氫氣含量變化情況

產(chǎn)氫過(guò)程中的日產(chǎn)氣量及其氫氣含量整理得到圖2，從圖中可以看出：在實(shí)驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)，日產(chǎn)氣量和氫氣兩者的含量都不高，隨著實(shí)驗(yàn)的不斷推進(jìn)，兩者含量也不斷升高。在第20天提高COD濃度時(shí)，日產(chǎn)氣量和氫氣含量都不斷增加；在第60天更改COD濃度時(shí)，日產(chǎn)氣量的波動(dòng)較大，而氫氣含量持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一共產(chǎn)生氫氣49.66 L，平均日產(chǎn)氣量為2560.95 ml，平均氫氣含量為34.08%。

圖2 日產(chǎn)氣量和氫氣含量變化情況

2.2 日產(chǎn)氣量、甲烷含量變化情況

產(chǎn)甲烷過(guò)程中的日產(chǎn)氣量及其甲烷含量整理得到圖3，從圖中可以看出：實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)時(shí)甲烷含量不高，第6天時(shí)急劇增長(zhǎng)至62%，且有持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)，之后一直穩(wěn)定在65%～70%。在第20天更改COD濃度時(shí)，兩者產(chǎn)生微小的下降趨勢(shì)；在第60天更改COD濃度時(shí)，甲烷含量略微下降后上升趨于穩(wěn)定。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一共產(chǎn)生甲烷41.98 L，平均日產(chǎn)氣量為1441.43 mL，平均甲烷含量為68.55%。

圖3 日產(chǎn)氣量和甲烷含量變化情況

2.3 COD去除率變化情況

產(chǎn)氫過(guò)程的COD去除率變化情況如圖4所示：實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)初期,進(jìn)水COD濃度為2513 mg·L-1，逐步提高COD濃度,以2000 mg·L-1為一個(gè)梯度,提升到8450 mg·L-1左右，COD去除率也在持續(xù)上升，最后穩(wěn)定在43%左右，平均COD去除率為42.21%。

圖4 產(chǎn)氫過(guò)程COD去除率變化

產(chǎn)甲烷過(guò)程的COD去除率變化情況如圖5所示：實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)初期，進(jìn)水COD已能達(dá)到4500 mg·L-1以上，保持較小幅度內(nèi)的波動(dòng)。同時(shí)能明顯觀(guān)察到出水COD從最初的1500 mg·L-1左右逐漸降低到1000 mg·L-1以?xún)?nèi)，去除率得到較大程度的提升。說(shuō)明污泥微生物正逐漸適應(yīng)發(fā)酵環(huán)境。提高進(jìn)水的COD濃度。持續(xù)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器出水的COD濃度仍然能保持穩(wěn)定，沒(méi)有顯示出較大的變化。且隨著時(shí)間的推移，COD去除率依然在持續(xù)上升，最終穩(wěn)定在95%左右，平均COD去除率為83.86%。

圖5 產(chǎn)甲烷過(guò)程COD去除率變化

2.4 有機(jī)酸含量變化情況

產(chǎn)氫過(guò)程中的有機(jī)酸含量變化情況整理得到圖6：實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)初期，有機(jī)酸主要以乙酸、丙酸、丁酸為主，從厭氧發(fā)酵制氫的發(fā)酵途徑上看，在此階段屬于混合型發(fā)酵[1]；在發(fā)酵中后期，丁酸逐漸占據(jù)主要地位，乙酸次之，丙酸則明顯變少，屬于丁酸型發(fā)酵[1]。從第31天開(kāi)始總有機(jī)酸的含量與日俱增，是因?yàn)榉磻?yīng)器的有機(jī)酸不能快速地排出，造成了有機(jī)酸積累的現(xiàn)象；從第60天開(kāi)始，總有機(jī)酸的含量開(kāi)始下降，是因?yàn)榉磻?yīng)器中的有機(jī)酸轉(zhuǎn)化為了能量，提供給產(chǎn)氫菌群。

圖6 產(chǎn)氫過(guò)程有機(jī)酸含量變化

產(chǎn)甲烷過(guò)程中的有機(jī)酸含量變化情況整理得到圖7，從圖中可以看出：第0～20天總有機(jī)酸含量最高，以乙酸和丙酸為主，這是因?yàn)榉磻?yīng)器中的有機(jī)物被降解為酸性物質(zhì)，而反應(yīng)器的微生物生長(zhǎng)不完全，不能高效地利用這些酸性物質(zhì)；第20天之后丙酸的含量開(kāi)始下降并趨于穩(wěn)定，乙酸雖有波動(dòng)，但依舊占據(jù)主要地位。在中溫沼氣發(fā)酵時(shí)，揮發(fā)性酸的濃度超過(guò)2000 mg·L-1時(shí)，對(duì)厭氧發(fā)酵有抑制作用[8]。由此可以看出在整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中并未出現(xiàn)酸抑制的現(xiàn)象。

圖7 產(chǎn)甲烷過(guò)程有機(jī)酸含量變化

3 產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷比較分析

3.1 接種污泥的處理方式分析

對(duì)于產(chǎn)氫而言，甲烷菌是產(chǎn)氫過(guò)程中主要的耗氫菌[19]。張露思[21]等學(xué)者經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：預(yù)處理過(guò)的接種污泥更有利于產(chǎn)氫菌的富集。故啟動(dòng)時(shí)對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理。將污泥置于如圖8所示的儀器中，在90℃下加熱38分鐘，沉降一個(gè)半小時(shí)，取出上層清液，將剩余污泥通過(guò)蠕動(dòng)泵打入反應(yīng)器內(nèi)。

1.熱敏探頭；2.圓底燒瓶(熱處理污泥容器)；3.集熱式恒溫加熱磁力攪拌器

對(duì)于產(chǎn)甲烷而言，整個(gè)體系中存在著多種微生物，其中以產(chǎn)甲烷菌和非產(chǎn)甲烷菌為主，二者彼此依存。非產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)和甲烷的產(chǎn)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，為產(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造了適宜的氧化還原條件即厭氧環(huán)境[8]。故啟動(dòng)時(shí),直接取實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期馴化的活性污泥作為接種物，不需要預(yù)處理。

3.2 啟動(dòng)時(shí)的進(jìn)料物分析

對(duì)于產(chǎn)氫而言，底物濃度即葡萄糖濃度是影響產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫速率的主要因素之一。葡萄糖濃度低, 產(chǎn)氫總量也較低, 葡萄糖濃度高, 則產(chǎn)氫總量較高[29]。而本實(shí)驗(yàn)使用的玉米酒精廢醪中含有的還原糖含量較少(410～540 mg·L-1)，因此為了產(chǎn)氫菌初期的生長(zhǎng)代謝和實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。開(kāi)始時(shí)采用葡萄糖模擬廢水。同時(shí)添加CO(NH2)2和KH2PO4,三者的比例為COD∶N∶P=200～500∶5∶1[3]。

對(duì)于產(chǎn)甲烷而言，玉米酒精廢醪中含有豐富的有機(jī)物，本實(shí)驗(yàn)使用的玉米酒精廢醪中的COD達(dá)到(47000～68000 mg·L-1)。通過(guò)厭氧消化可以將大部分的COD轉(zhuǎn)化為甲烷，故實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)時(shí)采用低濃度玉米酒精廢水，以提供微生物初期生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

3.3 有機(jī)酸含量分析

對(duì)于產(chǎn)氫而言，整個(gè)體系內(nèi)含有大量有機(jī)酸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于產(chǎn)甲烷時(shí)的有機(jī)酸含量,總有機(jī)酸的含量接近產(chǎn)甲烷時(shí)的1.5～4倍。一般而言，較高的產(chǎn)氫量伴隨著丁酸, 乙酸的積累。而丙酸、乳酸以及還原性產(chǎn)物的積累會(huì)導(dǎo)致較低的產(chǎn)氫[20]。黃振興[13]學(xué)者對(duì)有機(jī)酸脅迫污泥后的產(chǎn)氫效果進(jìn)行了探究，結(jié)果表明一定濃度的有機(jī)酸脅迫能夠促進(jìn)污泥的產(chǎn)氫效果，其中丁酸和乙酸的效果最好。

對(duì)于產(chǎn)甲烷而言，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸是必不可少要經(jīng)歷的階段，體系內(nèi)的大量酸性物質(zhì)會(huì)被微生物利用轉(zhuǎn)化為甲烷[14]，所以有機(jī)酸的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于產(chǎn)氫時(shí)。

3.4 能源回收效率分析

根據(jù)公式(1)[30],計(jì)算UASB反應(yīng)器產(chǎn)氫、產(chǎn)甲烷的能源回收效率：

(1)

式中:QH、QM、QCOD分別為氫氣、甲烷、COD的熱值，具體數(shù)值為12.86 KJ·L-1、35.82 KJ·L-1、17.16 KJ·g-1；VH、VM分別為氫氣、甲烷的產(chǎn)量，L·d-1；W為系統(tǒng)進(jìn)水量，L·d-1。

計(jì)算得到本實(shí)驗(yàn)中UASB產(chǎn)氫的能源回收效率為6.40%；UASB產(chǎn)甲烷的能源回收效率為63.71%。比較而言，UASB產(chǎn)甲烷的能源回收效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于UASB產(chǎn)氫的能源回收效率，大約是產(chǎn)氫的10倍左右。

綜合上述比較分析，整理得到表3。

表3 UASB產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷對(duì)比

4 結(jié)論

(1)利用UASB反應(yīng)器進(jìn)行產(chǎn)氫時(shí)，第0～20天，反應(yīng)處于啟動(dòng)期，氫氣含量不穩(wěn)定；第20～60天，隨著反應(yīng)進(jìn)行出現(xiàn)酸積累，氫氣含量也漸漸趨于平穩(wěn)；第60～90天，隨著反應(yīng)處理效率提升，有機(jī)酸含量下降，氫氣含量也穩(wěn)中有升。

(2)利用UASB反應(yīng)器進(jìn)行產(chǎn)甲烷時(shí)，第0～20天，反應(yīng)處于啟動(dòng)期，總有機(jī)酸含量較高，甲烷含量較低；第20～90天，隨著反應(yīng)進(jìn)行，總有機(jī)酸含量的下降，甲烷含量增加，并逐漸趨于平穩(wěn)。

(3)但是在此過(guò)程中，如果可以同時(shí)回收氫氣和甲烷，將會(huì)大大提升能源回收效率，有效緩和能源危機(jī)，可以進(jìn)一步考查構(gòu)建兩相USAB厭氧消化產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷的可行性，找出更高效的厭氧消化途徑。