不同接种量对木薯酒精废水厌氧发酵产氢的影响

郑展耀, 尹 芳, 张无敌, 赵兴玲, 刘士清, 吴 凯, 王昌梅, 柳 静, 杨 红

(云南师范大学 能源与环境科学学院, 昆明 650500)

随着气候的变暖和人口的激增，能源和环境问题日益突出。发展可再生能源已成为社会发展的战略要求。氢气做为可再生清洁能源，热值很高，约为143 kJ·g-1,其燃烧后的产物只有水，对环境造成的污染很小[1],目前制氢的技术包括矿物燃料制氢、电解水、生物制氢。其中生物制氢具有结构简单、能耗低、成本低等诸多优点。在生物制氢的方法中，发酵法生物制氢技术在成本、制氢效率方面表现出更多的优越性。餐厨垃圾、农作物秸秆、畜禽粪便、工业有机废水以及生活污水等原料都可以作为厌氧发酵产氢的基质，木薯酒精废水是木薯通过EMP发酵途径产乙醇过程中产生的废弃物，其具有COD浓度高，含有大量的碳水化合物并且呈酸性，其中也有研究证明了木薯酒精废水适合作为厌氧发酵产氢的基质。

对于批量式发酵方法来说，影响厌氧发酵产氢的因素有pH值、温度、接种量、氢分压等。其中罗刚[2]等研究了不同初始pH值对木薯酒精废水高温厌氧发酵产氢的影响，研究结果表明，初始pH值6.0为高温厌氧产氢的最佳值，累计产氢量为383 mL，单位基质产氢量为70 mL·g-1。邹中海[3]等研究了温度对木薯酒精废水高温厌氧发酵产氢的研究，研究结果表明60℃产氢最佳，累计产氢量为383 mL。本文研究了不同接种量对木薯酒精废水产氢的影响，以此来探究木薯酒精废水厌氧发酵产氢最适的接种量。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 发酵原料与接种物

木薯酒精废水采集于玉米正常乙醇发酵蒸馏后，从中试实验室蒸发罐底部排出的废水液，经过固液分离后获得，将其放在2℃～4℃的冰箱中冷藏以供实验使用。

接种物：污水处理厂脱水活性污泥首先经过实验室厌氧驯化，对污泥进行筛选，以消除大颗粒和无机物质。筛选出的污泥通过重复曝气法处理[4]：首先将厌氧接种污泥曝气1～3 h，控制溶解氧的浓度为1.0～2.0 mg·L-1,酒精废水的浓度控制在15 g·L-1，然后沉淀21 h，最后将上清液排出，加入自来水定容到原来的体积，该过程重复7次，最终污泥由黑色变为黄褐色，pH值降低到4.5左右，曝气后的种泥用离子水洗三次以洗脱溶解性多糖和蛋白质[4]，最后去掉上清液，微生物浓度以MLVSS(挥发性悬浮固体)计为38.03 g·L-1。物料的特性如表1所示。

表1 玉米酒精废水与接种污泥的物料特性 (%)

1.1.2 pH值调节液[5]

(1)盐酸溶液：取浓盐酸16 mL 倒入100 mL 烧杯中，加蒸馏水至100 mL，配制成浓度为6 mol·L-1的盐酸溶液。

(2)氢氧化钠溶液：用天平称取30 g 氢氧化钠固体，加70 mL蒸馏水溶解，配制成质量分数为30%的氢氧化钠溶液。

1.1.3 实验装置

采用实验室常规的批量式发酵装置，如图1所示[6]。

图1 实验装置

1.2 实验方法

1.2.1 原料预处理

将木薯酒精废水用自来水稀释，避免COD过高引起实验的酸化。

1.2.2 实验设计

本实验采用批量式发酵工艺，容积为500 mL，料系数为发酵罐的80%，即500 mL×80%=400 mL；设置3个实验组和3个对照组，每组均重复设置3个平行实验，发酵温度维持在35℃±1℃。对照组：3个对照组按照接种量的30%，40%，50%分别加入120 mL，160 mL，200 mL，加水至400 mL。实验组：3个实验组按照接种量的30%，40%，50%分别加入120 mL，160 mL，200 mL，每个实验组各加入150 mL木薯酒精废水(COD为28373 mg·L-1)，加水至400 mL。

1.2.3 测试项目及方法

(1)pH值的测定：采用PHS-3C型pH计测定，每1 d测定发酵液中的pH值。

(2)还原糖的测定：DNS比色法。

(3)TS和VS采用常规分析[7]进行测定。

(4)产气量测定：采用排水集气法收集气体并测定产气量，实验启动以后，每12 h定时记录各组的产量。

(5)氢气含量测定：采用气相色谱检测氢气含量，Porapak Q不锈钢填充柱，柱温80℃，载气为氮气。流速为30 mL·min-1，进样室温度为80℃，检测室热导检测器(TCD)，检测室温度120℃，桥电流120 mA。

(6)挥发性有机酸测定：液相组分(乙醇、乙酸、丙酸、丁酸戊酸、异丁酸、异戊酸)由气相色谱仪测定，色谱柱为30 m×0.25 mm×0.25 μm的熔融硅胶毛细管色谱，用高纯氮气作载气，其气体流速为30 mL·min-1，进样方式为分流进样，分流比为10∶1，空气和氢气流速分别为400 mL·min-1，30 mL·min-1。

2 实验结果与分析

2.1 产气情况分析

2.1.1 净产氢量

由图2可知，实验一共进行了106 h，30%接种量，40%接种量，50%接种量3个实验组产氢趋势均为先上升后下降并且均能较快地启动，在第12 小时就开始产氢，产氢量分别为30 mL，17 mL，14 mL。3个实验组均在第70天达到了产氢高峰期，产氢量分别为176 mL，201 mL，146 mL，其中在第12小时至70小时产氢量变化趋势为30%接种量实验组﹥40%接种量实验组﹥50%接种量实验组，说明随着接种量的增加，实验启动得越慢。但是40%接种量实验组产氢高峰期的产氢量均要高于其他两个实验组，这主要是因为随着接种量的增加产氢菌种更加丰富，但是接种量越多并不利于产氢菌的活性。随着物料中的营养成分被产氢菌大量的消耗而减少，导致产氢菌的生长代谢减慢，产氢量下降，直到最后产氢停止。

图2 净产氢量变化曲线图

2.1.2 氢气成分含量

用气相色谱法对各批次产生的气体进行检测，结果表明，所有实验中只观察到二氧化碳和氢气。未检测到甲烷的可能原因是，经过重复预处理的接种污泥是以产氢菌为主，在该环境中甲烷生成菌不活跃。在J L Wang[8]的研究也发现了类似的现象，其中在所做的实验中没有检测到甲烷。由图3可以看出各实验组氢气含量的变化趋势均为先上升后下降。30%接种量，40%接种量，50%接种量实验组的氢气含量均在第82小时达到最大值，分别为44.05%，36.50%，41.79%。其中30%接种量实验组的氢气含量上升速度最快并且氢气含量均要大于其他实验组，说明30%接种量的发酵环境更有利于产氢菌的活性，而随着接种量的增加反而会抑制产氢菌的活性。

图3 氢气含量变化曲线图

2.1.3 累积产氢量

图4 累计产氢量变化曲线图

由图4可以看出，在整个发酵实验的过程中，各实验组的产气速率先增加，后趋于平缓。各实验组刚开始启动阶段，产氢速率上升较慢，在第46小时至70小时产氢速率最快，随后产气达到最高产氢速率阶段，趋于平缓。30%接种量实验组的累计产氢量要高于其他两个实验组。说明30%接种量更有利于木薯酒精废水厌氧发酵产氢。而且随着接种量的增加，累积产氢量反而越少。说明接种量越高，对发酵产生有机酸等中间产物的利用率越低。

2.1.4 各实验组Modified Gompertz模型拟合的对比分析

在最原始的Gompertz 模型中，参数a，b，c是并不具有生物学相关意义的，所以在利用 Gompertz 模型拟合厌氧消化降解过程时，应对其进行适当的改进，获得Modified Compertz模型如方程[9](1)：

(1)

式中：y(t)为时间t时的累积产气量(accumulative biogas yield)，mL，当t→∞时，y(t)→a，有Hm=a为最大累积产气量，mL；Rm=a×c/e为最大产气速率，mL·d-1；λ=(b-1)/c，λ为发酵滞留时间，d。e为exp(1)=2.71828。实际数据处理过程中，利用origin软件对参数a,b,c进行拟合，然后转换为Hm，Rm、λ的值。根据各实验组实际累积产气量(见图4)并联合Modified Gompertz模型拟合处理后得出结果如图5～图7与表2。

图5 30%接种量实验组拟合曲线变化图

图6 40%接种量实验组拟合曲线变化图

图7 50%接种量实验组拟合曲线变化图

表2 各实验组Modified Gompertz动力学参数比较

由图5～图7和表2可以看出，Modified Gompertz模型对不同试验组日产气量的数据进行拟合得到最大累积产气量与图5～图7中实际累积产气量相比，实际累积产气量略低于最大累计产气量，相对偏差分别为3.83%，4.17%，3.46%，所得到拟合曲线相关系数都在0.98以上，具有良好的相关性,因此模型拟合效果较好。对于累计产氢量来说30%接种量实验组﹥40%接种量实验组﹥50%接种量实验组，对于最大产氢速率来说30%接种量实验组﹥40%接种量实验组﹥50%接种量实验组，这说明了30%接种量实验组更有利于木薯酒精废水厌氧发酵产氢，因为随着接种量的增加，大分子有机酸被分解为小分子有机酸，提供给产氢菌产氢，但是随着小分子有机酸乙酸、丁酸、丙酸等的积累又会抑制产氢菌的活性，所以才导致50%接种量实验组在累计产氢量和产氢速率方面表现最差，30%接种量实验组在累计产氢量和最大产氢速率方面表现最佳。正是因为挥发性有机酸的积累也导致了各实验组生物发酵滞留期的不同。在产氢率方面30%接种量实验组﹥40%接种量实验组﹥50%接种量实验组，与累计产氢量呈正相关关系。

综上，认为本试验所采用的几种预处理方法中，30%接种量实验组累积产氢量达到522 mL与40%接种量实验组，50%接种量实验组相比分别提高了12.64%，33.52%。因此木薯酒精废水厌氧发酵产氢最适的接种量为30%。

2.2 料液中挥发性有机酸变化

厌氧发酵制氢过程伴随着可溶性代谢产物的产生，其中主要成分是挥发性脂肪酸(VFA)和一些其它溶剂产品。可溶性代谢产物的分析可以帮助我们确定反应器中的发酵类型。控制发酵系统内pH值为5.5左右，发酵后料液中检测到的VFA如图8所示。

由图8可知各实验组经过厌氧发酵挥发性有机酸均有不同程度的积累。各实验组的挥发性有机酸的成分主要为丁酸、乙酸和少量的丙酸，因此各实验组的产氢发酵类型为丁酸型发酵。30%接种量实验组、40%接种量实验组、50%接种量实验组的总挥发性有机酸的含量分别为4829.3232 mg·L-1，7916.5488 mg·L-1，11574.6533 mg·L-1，根据Patcharee Intanooa[10-11]利用两级上流式厌氧污泥床反应器(UASB)从木薯废水中生产氢气和甲烷研究中指出，抑制产氢菌挥发性有机酸的含量大约为8000 mg·L-1至10000 mg·L-1左右，因此40%接种量实验

图8 各实验组发酵后挥发性有机酸的变化

组和50%接种量实验组累积的挥发性有机酸均对产氢菌产生了不同程度的抑制，导致产氢量下降。

2.3 料液中底物降解情况

本实验以木薯酒精废水为原料厌氧发酵制氢，通过厌氧发酵前后TS，VS，COD和还原糖的差值来反映底物降解效率。在表3中表示出了各实验组对料液的降解情况。

表3 各实验组发酵前后料液的TS，VS，COD和还原糖的分析

由表3可知底物中TS,VS,COD,还原糖均有不同程度的降解，其中降解情况为30%接种量实验组﹥40%接种量实验组﹥50%接种量实验组，这其中和累计产氢量并呈正相关关系。这主要说明接种量的多少，影响了其中微生物菌群的活性和富集程度，导致其物料的利用程度会有所不同。 30%接种量实验组对物料的利用程度最高，其中TS降解率为14.03%,VS降解率为32.32%,COD降解率为32.23%,还原糖利用率为83.00%，由此看来对于3个实验组来说，30%接种量更能保持厌氧发酵产氢过程中产氢菌的活性。

3 产气潜力对比分析

为更加客观地评价木薯酒精废水的产氢潜力，以30%接种量实验组的产氢情况与其它不同种类发酵原料的产氢潜力进行对比，结果如表4所示。

由表4可以看出，与其它原料相比，木薯酒精废水无论是在发酵周期或者产氢潜力方面，都表现出更佳的优越性。一是因为木薯酒精废水营养成分高而且被分解，使产氢菌更容易被利用；二是因为经过预处理的接种污泥使产氢菌富集，有更为优势的产氢菌种。综上来说木薯酒精废水是一种适合产氢发酵的原料。

表4 不同原料的产沼气潜力

4 结论

(1)以木薯酒精废水为发酵原料，在中温35℃±1℃进行批量式的厌氧产氢发酵试验，各实验组均在第106小时之后产氢量基本为零，故发酵周期为106 h。实验在第12小时就开始产氢，并在第70小时达到峰值，故实验启动较快。

(2)Modified Gompertz模型分析不同接种量对木薯酒精废水厌氧发酵产氢影响，具有较好的相关性，根据Modified Gompertz模型获得相关参数指标，可以对各实验组木薯酒精废水厌氧发酵产氢效果做出合理评价。就累积产氢量影响、原料转化效率而言，各实验组的对比处理效果为30%接种量>40%接种量>50%接种量。其中30%接种量最适合木薯酒精废水厌氧发酵产氢，累计产氢量为522 mL，最大产氢速率为14.44 mL·h-1，TS产氢率为139.20 mL·g-1，VS产氢率为 242.80 mL·g-1。

(3)各实验组在发酵完成后均出现了不同程度的挥发性有机酸的积累，30%接种量实验组，40%接种量实验组，50%接种量实验组的总挥发性有机酸的含量分别为4829.3232 mg·L-1，7916.5488 mg·L-1，11574.6533 mg·L-1，30%接种量实验组的挥发性有机酸的含量更适合于产氢菌的活性。各实验组的产氢发酵类型为丁酸型发酵。

(4)对比各实验组，30%接种量实验组对物料的利用程度最高，其中TS降解率为14.03%，VS降解率为32.32%，COD降解率为32.23%，还原糖利用率为83.00%，而且通过与其它原料的产氢潜力对比木薯酒精废水是一种适合的产氢发酵原料。