造纸污泥厌氧发酵生物产氢研究

2010-11-27周少奇赖杨岚

中国造纸 2010年1期

关键词：产氢厌氧发酵挥发性

伍峰周少奇赖杨岚

(华南理工大学环境科学与工程学院,广东广州,510640)

造纸污泥厌氧发酵生物产氢研究

伍峰周少奇赖杨岚

(华南理工大学环境科学与工程学院,广东广州,510640)

以实验室造纸污泥堆肥腐熟肥为菌源、造纸污泥为底物进行厌氧发酵产氢实验。结果表明,造纸污泥经超声波预处理 40 min,添加 10 mL质量分数 0.05%的三氯甲烷后,在 36.5℃,pH值 5.5～6.0条件下与实验室造纸污泥堆肥腐熟肥按质量比 2∶1进行混合厌氧发酵,累积产氢量 83.5 mL/g(挥发性固形物),H2浓度 51.0%～67.7%,有机物利用率 32.4%～43.8%。

造纸污泥;超声波处理;厌氧发酵;生物产氢

造纸污泥是一种生物固体废弃物,含有大量的纤维素类有机质和氮、磷、钾、钙、镁、硅、铜、铁、锌、锰等多种植物营养成分[1]。随意弃置或未经无害化处理在农田上滥用,不仅会污染地下水资源,危害人体健康,而且带来生态危机[2]。目前,国内外造纸污泥资源化利用的途径主要有:生产新型建筑材料,土壤改良,造纸填料,人造沸石,活性炭,回收热量,污泥堆肥等。这些技术目前普遍存在成本高,效益差等问题,许多造纸厂都无法承受,不符合循环经济发展原则和清洁生产要求。生物制氢具有能效高、清洁、反应条件温和等诸多优点而成为近年来研究的热点[3-5],其原材料来源广泛,包括有机废水、厨余物、市政污泥、造纸厂污泥、农业废弃物等。

本实验结合超声波技术,在 pH值 11.2条件下对造纸污泥进行超声波预处理后,调节 pH值至 5.5～6.0,投加菌种,在中温 (36.5℃)条件下进行厌氧发酵产氢,为造纸污泥资源化探索出新的途径。

1 实验

1.1 污泥性质及营养液组成

造纸污泥取自东莞某造纸厂生物滤池浓缩污泥,其性质:大肠杆菌 (E.coli.)4.55×108个 /mL;含湿率 80.9%;pH值 7.5;CODCr26928.5 mg/L;固体悬浮物 (SS)4.92 mg/L;挥发性固形物 (VS)43.7%。

常规营养液:NH4HCO350 mg/L;KH2PO427.8 mg/L;无机微量元素营养液:MgSO4·7H2O 24.6 mg/L,NaCl 11.7 mg/L,Na2MoO4·2H2O 12.1 mg/L,CaCl2·2H2O 7.4 mg/L,MnSO4·7H2O 13.4 mg/L,FeCl22.5 mg/L,ZnCl26.8 mg/L,NiCl26.4 mg/L。

1.2 菌源

实验室造纸污泥堆肥腐熟肥含湿率约 43.7%～56.5%。使用前,菌源在红外线快速干燥器中烘 0.5～1.5 h ,主要是抑制耗氢的产甲烷菌的生物活性和富集产氢菌。经过一定时间的培养驯化,实验室造纸污泥堆肥腐熟肥表现出较强的产氢能力。

1.3 实验方法

称取一定量的造纸污泥 m1(绝干,下同),溶解,将超声波细胞粉碎机调整到功率 1800 W、频率40 kHz后对造纸污泥进行超声波预处理。冷却后,添加实验室造纸污泥堆肥腐熟肥 m2,适当补充 N、P, 使 c(CODCr)∶c(N)∶c(P)=1000∶5∶1, 无机微量元素营养液 20 mL[7],添加 10 mL质量分数 0.05%的三氯甲烷作为产甲烷菌抑制剂,用 N2吹扫反应器中的O210 min,玻璃胶密封,在 36.5℃条件下进行厌氧发酵。通过自动控制系统调节 pH值至 5.5～6.0。定时测定生物气产量,并分析生物气中物质成分,定时取上层发酵液分析液相发酵产物。

1.4 测定方法

以排饱和食盐水法收集气体,每天测定产气量;气体采用 GC-7900型气相色谱仪、热导检测器(TCD)和氢焰检测器 (F ID)检测。H2采用 TCD检测,2 m不锈钢填充柱,填料为 5A分子筛,检测器、汽化室和填充柱的温度分别为 180℃、150℃和100℃,N2为载气,流速 29 mL/min;CH4采用 F ID检测,2 m不锈钢填充柱,填料为 5A分子筛,检测器、汽化室和填充柱的温度分别为 210℃、200℃和220℃,H2为载气,流速 28 mL/min,N2流速28 mL/min,空气流速 210 mL/min;挥发性脂肪酸(乙酸、丙酸、丁酸)和乙醇采用 F ID检测,检测器、汽化室和填充柱的温度分别为 220℃、200℃和230℃,H2为载气,流速 30 mL/min,N2流速30 mL/min,空气流速 270 mL/min。均采用外标法定量,进样量 10μL。CODCr采用回流法测定。纤维素、半纤维素和木质素含量的测定方法参考文献 [8]。采用傅里叶红外光谱 (FT-IR)分析造纸污泥中纤维素、半纤维素和木质素结构变化:将 1 mg造纸污泥与 400 mg KBr(光谱纯)磨细混匀,压成薄片用 FT-IR光谱仪测定并记录其光谱,扫描波长范围 400～4000 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 超声波预处理对累积产氢量的影响

根据前期超声波破解市政污泥实验效果对超声波预处理时间进行修正,设定超声波预处理时间分别为 25、30、35、40、45、50 min,250 g造纸污泥经超声波预处理冷却后,投加 15 g实验室造纸污泥堆肥腐熟肥,以确定最佳的超声波预处理时间并实验超声波条件下污泥厌氧发酵产氢状况。造纸污泥中 CODCr随超声波预处理时间的变化见图1,超声条件下造纸污泥厌氧发酵产氢状况见图2。从图1可以看出,污泥中CODCr含量随着超声波预处理时间的延长而增加,但超声处理超过 40 min后,CODCr含量增加缓慢。实验监测分析表明,污泥中糖类等低分子有机化合物含量增加,木质素、纤维素等高分子物质含量下降。由图2可知,厌氧发酵 15天时,样品 b、c、d累积产氢量均比样品 a的高,样品 c累积产氢量最大,经换算后样品 c产氢量为 70.9 mL/g(VS)。研究认为,这与污泥中有机物的化学结构和超声波作用相关。造纸污泥中主要成分是纤维素、半纤维素、木质素及其衍生物和一些有机物,纤维素分子以氢键构成平行的微晶束,氢键数量多,微晶束结合牢固[9]。但在超声波作用下,纤维素等高分子有机物在热点发生化学键断裂,水相燃烧,高温分解,超临界水氧化,自由基氧化等反应而分解成低分子有机物[10-15]。FT-I R分析也显示,造纸污泥的特征峰发生变化,超声波预处理破坏了纤维素的无定形区和降解了半纤维素,产氢菌对纤维素的结晶区有破坏作用。同时发现木质素结构中的 C—O键数目减少,苯环极化作用减弱[16],这是由于超声波产生的系列刺激效应破坏了木质素网状分子结构。因此,超声波作用可使造纸污泥中的难降解有机物降解成易被生物降解的有机物,为产氢菌提供了丰富的碳源,产氢量增加。样品 d虽经过 50 min的超声波预处理,液相中的 CODCr含量大于样品 c的,但 pH值监测结果表明,样品 d在发酵过程中酸化,导致 pH值 (小于 5.0)下降,氧化还原电位升高,脱氢酶活性受到抑制,产氢菌产氢能力降低,累积产氢量比样品 c的低。因此,实验选择超声波预处理时间 40 min。

2.2 底物浓度对累积产氢量的影响

超声波预处理 40 min,厌氧发酵 15天时,底物浓度对日产氢量和累积产氢量的影响分别见图3和图4。由图3和图4可知,在 6个发酵样品中,污泥日产氢量均经历了一个先增加后降低的过程,样品 e累积产氢量最大。实验中观察到样品 b、c、d、e、f分别在第 1天均有气体产生,样品 a第 3天才有少量气体产生,6个发酵样品在第 15天产氢量都接近 0,此时产氢结束。样品 e的累积产氢量明显高于样品 a、b、c、d、f,说明适当增加菌种投加量对提高产氢量有利。反应结束,经色谱分析得知,样品 a、b、c、d、e、f的含氢率分别为 46%、47%、44%、48%、55%、52%,并且均未检测到甲烷。认为主要原因有两个方面:①造纸污泥堆肥中含有产酸产氢菌和产甲烷菌,菌源在红外线快速干燥器中烘 0.5～1.5 h,非孢子型的产甲烷菌由于不能适应这种环境而失活,而可形成孢子的产酸产氢菌能够转化为孢子而存活下来。造纸污泥经超声波预处理 40 min和添加 10 mL质量分数 0.05%三氯甲烷作为抑制剂[17],产甲烷菌失活,而产酸产氢菌形成了孢子,影响不大,故在产氢过程中不会产生甲烷。②当 m1∶m2=2∶1时,挥发性脂肪酸与 CODCr质量浓度比大于 0.3,形成良好的可生化环境,有利于厌氧发酵产氢。底物浓度过大,将导致反应器内挥发性脂肪酸的积累,脱氢酶活性受到抑制,菌种间的协同作用降低,共代谢能力减弱,不利于产氢菌产氢。发酵前期,样品 b、c底物浓度大,厌氧发酵时造成有机酸的大量积累,表现为 pH值下降,氧化还原电位升高 (>-274.9 mV),产氢量下降。而且随着底物浓度的提高,反应器中的氢分压也相应增大,过高的氢分压不利于氢气的生成且会转换产氢菌的代谢途径,即产酸产氢发酵途径转至产醇的发酵途径。样品 d、e、f由于添加了较多的实验室造纸污泥堆肥腐熟肥,实验室造纸污泥堆肥腐熟肥中的铵态氮对有机酸具有缓冲作用,pH值变化平缓[18],同时实验室造纸污泥堆肥腐熟肥中含有大量易分解的有机物[19],且通过分散-耦合-并行系统转移中间产物将产氢菌的抑制作用降至最低,提高了酶的利用率[20-21]。因此,在反应初期,样品 d、e、f日产氢量和累积产氢量均比样品 a、b、c高。由实验结果得到,当 m1∶m2=2∶1,超声波预处理 40 min时,造纸污泥发酵产氢的有机物利用率为 32.4%～43.8%,累积产氢量 83.5 mL/g(VS),氢气浓度 51.0%～67.7%。

2.3 厌氧发酵时间对累积产氢量的影响

由图3可知,日产氢量随发酵时间的变化可分为4个阶段:产氢延迟、开始产氢、持续产氢和产氢衰减。通过降落式 PCR扩增、DGGE电泳和对每个重新扩增条带的 16S rDNA片段进行克隆和序列测定及将所得的序列片段在 GenBank数据库进行同源性分析和检索表明,反应器内产氢菌群落结构和种群数量处于动态变化中,直到形成了顶级优势群落。在产氢延迟段 (0～19.5 h),反应器刚启动,产氢菌处于驯化、培育期,混合菌群逐步适应新的生态环境,此时优势菌群主要是 Clostridium sp.,Acidovorax sp.,Kluyvera sp.等,该过程中没有氢气产生;21～28 h后,产氢菌之间形成共代谢和协同效应,在营养物质充足的条件下,以有机物为碳源进行代谢,产氢菌得到快速强化[22],逐步形成稳定的顶级优势产氢菌群,产氢效率提高。通过镜检观察证实,细胞生长良好,此时有氢气生成,随着时间的延长,产氢量也逐渐增加,反应进行到约 27 h后进入持续产氢段。31～40 h产氢速率达到最大值 (242 mL/d)。经过 16S r DNA序列分析证实,此时菌群主要是 clostridium,Bacteroides,Peptococcus等,其次是 Fusobacterium,Leptotrichia, Zym om onas, Aerom onas, RhodospirilliUm,Veillonella,Leptotrichia。49 h后,随着有机物耗尽,细菌因缺乏营养物质而利用储存物质进行内源呼吸,死菌数大于新生菌数,细菌群体进入衰亡期,产氢速率逐渐下降,直至反应结束。

2.4 液相产物分析

当 m1∶m2=2∶1,超声波预处理 40 min时,底物中挥发性脂肪酸和醇的变化情况见表1。由表1可知,在发酵初期,液相反应体系中检测到的挥发性脂肪酸和乙醇含量较低。进入产氢高峰期,乙酸、丙酸、丁酸含量达到最大值。产氢结束,乙醇含量达到最大值,乙酸、丙酸、丁酸含量有所下降。实验还发现,在产氢高峰期,挥发性脂肪酸含量与产氢迟缓期有直接对应关系,产氢迟缓期短,挥发性脂肪酸含量高,产氢迟缓期长,挥发性脂肪酸含量低。根据以往的研究结果显示,该发酵产氢类型不属于丁酸型发酵或乙醇型发酵,而是混合酸型发酵产氢。根据乙醇与挥发性脂肪酸沸点的差异,采用旋转蒸发仪蒸馏得到乙醇。经气相色谱检测分析,收集到的乙醇浓度达71.7%以上。

表1 挥发性脂肪酸和醇的变化 mg/L

3 结论

以实验室造纸污泥堆肥腐熟肥为菌源,造纸污泥为底物进行厌氧发酵产氢。

3.1 造纸污泥经超声波预处理 40 min,添加 10 mL质量分数 0.05%的三氯甲烷后,在温度 36.5℃,pH值 5.5～6.0条件下与实验室造纸污泥堆肥腐熟肥按质量比 2∶1混合厌氧发酵,累积产氢量为 83.5 mL/g(挥发性固形物),氢气浓度为 51.0%～67.7%,有机物利用率为 32.4%～43.8%,未检测到甲烷。

3.2 该厌氧发酵产氢属于混合酸型发酵产氢,发酵副产物中检测到乙醇、乙酸、丙酸、丁酸和丁醇,乙醇浓度大于 71.7%。

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Biological Hydrogen Production from Anaerobic Fermentation of Papermak ing Sludge

WU Feng ZHOU Shao-qi＊LA I Yang-lan
(College of Environm ental Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640)

In this exper iment anaerobic fermentation was performed in an anaerobic reactor at the optimal condition of pH 5.5～6.0 and 36.5℃,using papermaking sludge as substrate and compost from paper making sludge in laboratory as bacteria source.The papermaking sludge was pretreated by ultrasonic for 40 min and 0.05%chloroform was added.The papermaking sludge and compost were mixed in the ratio of 2∶1.The exper imental result showed that the total hydrogen yield was 83.5 mL/g(volatile solid,VS),hydrogen concentration was 51.0%～67.7%,the utilization of organic materialwas 32.4%～43.8%,no methane was detected.

papermaking sludge;ultrasonic treatment;anaerobic fer mentation;biological hydrogen production

TS793

0254-508X(2010)01-0039-04