两种底物厌氧发酵产氢能力的比较*

李永峰， 刘 ， 张 敏

（1.上海工程技术大学，上海 2016202；2.东北林业大学，黑龙江哈尔滨150040）

能源是人类进行生产和赖以生存的物质基础，它和材料、信息等一起被认为是现代社会发展的三大要素。生物能源的开发和利用是当今世界研究的热门课题，而氢能作为一种高效、无污染的清洁能源，被认为是最具有发展潜力的可再生能源之一。

我国糖厂的年生产能力高达 1.6×107t[1～3]，糖厂废液的直接排放不仅造成了水环境污染，同时也造成了再生资源的巨大浪费。另外，赤糖废水中有机物含量高，可生化降解性好，利用以上两种碳水化合物含量较高的有机废水进行氢气的生产，这不仅消除了污染，而且产生了新的清洁能源，是我国目前在面临能源短缺的情况下，利用废水达到资源化的一种新途径，同时也为清洁能源的生产开辟了新道路[4]。

本试验借鉴废水生物处理的厌氧工艺，采用厌氧发酵生物制氢的反应设备，以甜菜制糖厂的废糖蜜和人工稀释的赤糖为底物，对其进行了连续流发酵制氢试验，测定底物变化对CSTR反应器的产氢效能及液相末端产物的影响。本研究为采用什么物质作为底物厌氧发酵最具有工业应用的可能性奠定了基础，同时对推进工业化的进程具有重要的意义[5,6]。

1 材料与方法

1.1 试验装置

本试验采用连续流搅拌槽式反应器（CSTR）为试验装置，结构如图1所示，该反应器的总容积为19.4 L，有效容积为7.0 L,反应器内部有三相分离器，使气、液、固三相很好的分离，有利于气体的传质与释放。试验的HRT维持在6.2h，整个反应器采用外缠电热丝加热方式，将温度控制在(35±1)℃。

图1 CSTR厌氧反应器的结构图Fig.1 Schematic diagram of the CSTR reactor for biohydrogen production from brown sugar

1.2 分析检测方法

采用国家标准方法[7]测定COD、VSS、SS。pH和ORP用pHS-25型酸度计测量，产气量用LML-1型湿式气体流量计计量。

采用GC-122型气相色谱定量的测试液相末端发酵产物（VFAs）组分及含量。氢火焰检测器，不锈钢色谱填充柱长2.0m，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30mL/min，每次进样量为1uL。

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2.0m,担体Porapark Q,50～80目。采用氮气为载气，流速30mL/min，每次进样量为0.5uL。

2 结果与讨论

2.1 底物变化对产氢效能的影响

图2所示为底物变化对产氢量和氢气含量影响变化的曲线图。

在反应器启动的第6 d，反应器开始产气，这表明预处理过的厌氧活性污泥在启动期间仍然保持较高的生物活性。反应运行初期以糖蜜为底物，系统中的微生物适应厌氧环境要经历一定的变化，致使氢气产量和氢气含量较低，呈现出一定的波动性。后续随着微生物活性逐渐恢复，从第14 d开始，氢气产量及含量开始增加并逐渐趋于平衡，在经过29 d的运行后系统达到稳定，获得的氢气产量及氢气含量分别为0.63 L/d和20.7%。这说明在底物浓度相对稳定的情况下，反应器中微生物的产氢能力已经达到最大。第30 d系统的底物发生变化，用同一浓度负荷的有机底物赤糖代替糖蜜废水厌氧发酵。底物改变初期，系统的产氢量和氢气含量出现了较大的波动，出现一个最小值分别为0.20 L/d和15.2%，这是因为底物突然改变对系统造成了一定的冲击，从而使得微生物活性也发生了变化。经过12 d的驯化，微生物活性逐渐恢复，产氢量和氢气含量再次呈现上升的趋势。但由于发酵系统呈现过酸的趋势，使得产氢量再一次出现波动，在人工调节酸碱度的情况下，经过一段时间的运行，在第50 d系统恢复正常，产氢量和氢气含量逐渐增加并趋于稳定，其平衡时的均值分别为1.46 L/d和46.2%，其值是以糖蜜为底物时的2.32倍。从结果分析中可知：在相同负荷运行的条件下，有机底物赤糖的产氢量远高于糖蜜的产氢量，这说明了厌氧发酵污泥菌种对底物具有明显的选择性，同时也反映出不同底物之间的结构差异性和降解的难易程度，其表现在产氢量和氢气含量的差异上。

图2 底物变化对产氢量的影响Fig.2 The effect of the substrates on hydrogen production

2.2 底物变化对液相末端产物的影响

以厌氧污泥为接种原料，以糖蜜和赤糖为底物厌氧发酵，在底物浓度负荷相同的条件下，分析底物变化对降解有机物过程中总挥发性脂肪酸（VFAs）和醇含量的影响，如图3所示。

反应器中污泥量为25.88g(MLVSS)/L，以糖蜜为底物启动反应器，在厌氧发酵的初期，发酵代谢产物中丙酸的含量较高，其比例占总液相末端产物的45%左右，其中乙醇和乙酸的比例分别占到32%和18%，这说明发酵初期丙酸菌在产酸发酵菌群中占优势。当反应运行到第8 d，丙酸含量出现波动并逐渐降低，其它末端产物也经过短暂的波动后开始回升。经过22 d的运行发酵，系统逐渐达到稳定，乙醇、乙酸、丙酸和丁酸的量分别是187.6 mg/L、256.3 mg/L、174.9 mg/L、118.1 mg/L，从液相末端产物的比例可以看出，反应系统呈现出混合酸发酵。在运行的第28 d，即在混合酸发酵的稳定运行期，改变发酵底物，以赤糖水代替糖蜜来研究底物变化对系统液相末端产物冲击变化，其表现在发酵底物改变后前11 d内末端发酵产物的比例发生了较大的变化，各种挥发酸的产量经过短时间的下降后又再次上升到原来水平。当运行到第38 d时，末端产物的比例再次发生变化，其中乙醇和乙酸的比例呈现出上升的趋势，而丙酸和丁酸的比例却不断的下降。但反应器中挥发酸总量并无明显的减少，说明系统内的发酵菌群代谢还是比较旺盛，只是菌群结构发生了变化。经过56 d的运行后，系统再次达到平衡，其中乙醇、乙酸、丙酸、丁酸的量分别为259.8 mg/L、276.7 mg/L、87.1 mg/L、63.2 mg/L，其中乙醇和乙酸的含量占总产量的78%，呈现出乙醇型发酵，此时的微生物具有较高的氧化有机物的能力，并且系统具有良好的沉降性能。从底物变化后引起总液相末端产物的变化中可以看出，污泥接种到生物制氢反应器之后的驯化过程中，都经历了一个从不适应到适应，从适应到活性逐渐增强的演变过程。

2.3 底物变化对化学需氧量（COD）去除率的影响

用相同负荷的不同底物来研究发酵产氢效能，图4是不同底物变化对化学需氧量（COD）去除率的影响情况。以糖蜜为发酵底物时，COD去除率的波动较大，当系统进入稳定期后，COD的去除率维持在7%左右。当底物发生变化时，COD的去除率出现暂时性的下降和短期的波动，当反应运行到48 d后，系统有机底物的去除率最大达到31.2%，随后出现短暂的波动并稳定在13%左右。从图4可以看出微生物对厌氧环境的变化具有一定的自我调节和平衡能力，从而使系统呈现出良好的运行稳定性。系统内微生物的多样性，保证了系统内代谢途径的多样性，这有利于废水中各种有机成分的有效降解。

图3 底物变化对液相末端产物的影响Fig.3 The effect of the substrates on liquid end fermentation

图4 底物变化对COD去除率的影响Fig.4 The effect of the substrates on COD removal

2.4 底物变化对pH和ORP的影响

pH和氧化还原电位（ORP）是影响厌氧微生物生长繁殖的重要影响因子，决定着微生物的生存状态。不同的厌氧微生物所需要的酸碱环境和氧化还原电位也是不同的，不同的底物厌氧发酵对酸碱环境和氧化还原电位的要求也是不同的。图5反映了底物变化期间ORP的变化情况。以糖蜜为底物时，初期经过2 d的发酵，系统的溶解氧逐渐被系统中的微生物所消耗，这时兼性微生物的活性下降，其表现为系统的ORP从-112 mV下降到-316 mV。启动初期ORP很不稳定，呈现出一定的波动性，系统运行到第10 d时，ORP从-446 mV上升到 -390 mV左右，这可能是在厌氧发酵的初期，系统需要消耗部分的溶解氧，因此导致反应初期厌氧程度较低并且ORP的波动性比较大。在后续运行过程中，系统逐步趋于稳定，ORP稳定在-390mV左右，直到系统达到混合酸发酵。第28 d系统底物发生变化，ORP从-365mV突然上升到-207mV，在后续经过40 d的运行发酵，ORP逐渐下降，并最终在-444～-450mV之间波动，这一条件范围可能是形成乙醇型发酵的主要原因，并且决定了生物制氢系统的运行稳定性。

图5 底物变化对ORP的影响Fig.5 The effect of the substrates on ORP

图6 底物变化对pH的影响Fig.6 The effect of the substrates on pH

图6是底物改变对反应器内部pH的影响变化情况。启动初期系统的pH在4.61～5.07范围内波动，其变化幅度不是很大。在系统以糖蜜为底物趋于混合酸发酵时，pH开始下降到3.86，液相末端产物和氢气产量有较小幅度的下降，为了防止微生物群落长时间的经历酸性厌氧环境而使活性难以恢复，试验中投加一定量的NaOH溶液来有效的调节系统的酸碱度，提高反应器的产氢效能和实现稳定运行，经过调节后系统的pH恢复到4.07。第28 d系统的底物发生变化时，系统的pH再次下降到3.75，系统的氢气产量和液相末端产物的量也相应地在较小范围内波动，这可能是底物变化对系统内的菌群造成了一定的冲击作用，改变了其发酵路径。经过后续6 d的人工调节加上系统自身的恢复作用，最终使系统的pH值维持在4.70左右。这是因为此时系统已经形成了乙醇型发酵。乙醇型发酵的产物乙醇不会加速系统的pH值继续降低。

3 结 论

（1）反应器的污泥量为25.88g(MLVSS)/L、进水底物浓度为3000mgCOD/L、HRT为6.2h、温度控制在(35±1)℃，以赤糖为底物时的产氢量是以糖蜜为底物时的2.32倍，说明产酸发酵菌群对底物具有选择性。

（2）在反应器启动后的污泥驯化过程中，发酵系统内微生物群落随着底物的变化发生着连续的演变，优势菌群也不断地发生变化，同一种属的细菌利用不同的原料为底物时的产氢能力和产酸能力存在很大的差异，其表现在总液相末端产物的比例和氢气产量的差异上。当底物由糖蜜转变为赤糖时，系统中的末端产物乙醇、乙酸、丙酸和丁酸的量分 别 从 187.6 mg/L、256.3 mg/L、174.9 mg/L、118.1 mg/L 增加到 259.8 mg/L、276.7 mg/L、87.1 mg/L、63.2 mg/L。

（3）在以糖蜜为底物时COD的去除率维持在7%左右，当底物发生变化时，COD的去经过短暂的波动后，最终稳定在13%左右。

［1］李建政，张妮，李楠 ,等.HRT对发酵产氢厌氧活性污泥系统的影响［J］.哈尔滨工业大学学报 2006,38（11）：1840～1846.

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