1 引言
在厭氧生物制氫系統中，乙醇型發(fā)酵和丁酸型發(fā)酵是兩種典型的產(chǎn)氫發(fā)酵類(lèi)型，而不同的發(fā)酵類(lèi)型能夠產(chǎn)生不同的代謝產(chǎn)物，其氫氣產(chǎn)率也存在著(zhù)差異，連續流厭氧發(fā)酵生物制氫的研究中，絕大部分的國外研究者基本將反應器的發(fā)酵類(lèi)型控制在丁酸型發(fā)酵上，并獲得了較高的產(chǎn)氫效能.而乙醇型發(fā)酵產(chǎn)氫類(lèi)型自1995年被發(fā)現以來(lái)，只有少數幾個(gè)研究團隊進(jìn)行了研究和報道，同時(shí)，任南琪，李建政和邢德峰等的研究結果均顯示，乙醇型發(fā)酵比丁酸型發(fā)酵獲得的產(chǎn)氫效率高，乙醇型發(fā)酵是厭氧生物制氫反應器的最佳適宜控制類(lèi)型.然而，值得注意的是，他們的研究均僅比較了反應器在單一有機負荷條件下乙醇型發(fā)酵和丁酸型發(fā)酵的產(chǎn)氫能力.而對于不同的厭氧產(chǎn)酸發(fā)酵產(chǎn)氫微生物而言，其生長(cháng)代謝能力在不同的有機負荷條件存在差異，厭氧制氫系統內的微生物菌群會(huì )隨著(zhù)有機負荷的改變發(fā)生演替，形成不同的頂級微生物群落結構，進(jìn)而表現出不同的產(chǎn)氫效能.所以，當乙醇型發(fā)酵反應器在某一有機負荷下具有最佳的產(chǎn)氫效能時(shí)，丁酸型發(fā)酵未必也能同時(shí)在該有機負荷下表現出較好的產(chǎn)氫性能.因此，有必要研究在不同有機負荷條件下乙醇型發(fā)酵和丁酸型發(fā)酵產(chǎn)氫性能，以對乙醇型、丁酸型發(fā)酵產(chǎn)氫能力進(jìn)行系統的對比分析，以探索不同發(fā)酵類(lèi)型呈現最佳產(chǎn)氫性能時(shí)的適宜控制參數.
HRT不僅能影響反應器的水力流態(tài)和傳質(zhì)效率，還能影響系統內活性污泥的活性，所以，HRT作為有機負荷的重要調控手段，對厭氧反應器的控制至關(guān)重要.HRT的縮短不僅會(huì )將代時(shí)較長(cháng)的發(fā)酵產(chǎn)酸或產(chǎn)氫微生物從系統中淘汰出去，而影響系統運行性能，同時(shí)還會(huì )對系統造成負荷沖擊，甚至引起系統內厭氧活性污泥流失，導致厭氧系統崩潰.為此，本文以連續流厭氧生物制氫反應器的運行為基礎，系統比較了ACR丁酸型和乙醇型發(fā)酵制氫系統在不同HRT條件下的運行特性，以為制氫反應器運行控制提供技術(shù)參數.
2 材料和方法
2.1 實(shí)驗裝置
研究采用的ACR參照發(fā)明專(zhuān)利“厭氧接觸式產(chǎn)酸發(fā)酵制氫反應器”(ZL 200710144460.1)設計(李建政和昌盛，2008)，制氫反應器的有效反應容積為10.8 L(圖 1).由有機玻璃制成，采用電熱絲纏繞在反應器外壁上的方式加熱保溫，并通過(guò)溫控儀將反應系統的溫度控制在(35±1)℃.
圖1 ACR發(fā)酵制氫反應器示意圖
2.2 廢水與接種污泥
實(shí)驗廢水采用甜菜制糖廠(chǎng)的廢糖蜜加水稀釋而成.在配制廢水時(shí)，投加一定量的農用復合肥，使廢水中的 C、N、P 的質(zhì)量比保持在(200~500)∶ 5 ∶ 1左右，以保證污泥在生長(cháng)過(guò)程中對 N、P 營(yíng)養元素的需求.糖蜜、復合肥的組分以及具體的投加比例與前期研究相同(昌盛，2012).
2.3 反應系統的運行控制
接種污泥取自城市污水廠(chǎng)的剩余污泥，經(jīng)淘洗、過(guò)濾后分別接種于兩套相同的ACR系統中，污泥接種量均為3.58 g MLVSS · L-1.兩套反應器除了系統控制的pH條件存在差異外，其它運行條件完全相同.反應器在進(jìn)水COD 5000 mg · L-1，HRT為12 h下啟動(dòng)，通過(guò)向進(jìn)水中添加小蘇打的方式分別將兩套制氫系統的pH控制在4.5~5.0、5.5~6.0間，經(jīng)過(guò)運行并達穩定后，再分階段將HRT由12 h逐步縮短到8 h、6 h、4 h，以考察HRT對ACR發(fā)酵產(chǎn)氫系統的影響.在每次調節系統HRT前，系統均穩定運行10 d左右.
2.4 分析項目與方法
pH、堿度(alkalinity)、COD和生物量(MLSS和MLVSS)等常規監測項目采用國家標準方法測定(American Public Health Association，1998).配置的糖蜜廢水和反應器出水中的含糖量采用苯酚-硫酸法測定(昌盛，2012 ).包括乙酸、丙酸、丁酸在內的揮發(fā)性有機酸(VFAs)以及乙醇的檢測采用氣相色譜儀(SP-6890，山東魯南瑞虹化工儀器有限公司)測定(昌盛等，2015)，發(fā)酵氣組分采用另一臺氣相色譜儀(SP-6801T，山東魯南瑞虹化工儀器有限公司)分析(昌盛等，2015).
3 實(shí)驗結果與討論
3.1 HRT對乙醇型發(fā)酵制氫系統的影響
3.1.1 產(chǎn)氫速率
圖 2展現了ACR乙醇型發(fā)酵反應器在不同HRT下的產(chǎn)氣情況.結果顯示，隨著(zhù)HRT的減小，系統的產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氫速率均呈現上升趨勢.HRT的縮短使得反應器內微生物在單位時(shí)間內可利用的營(yíng)養基質(zhì)增加，其代謝產(chǎn)物的絕對質(zhì)量也增加，因而，反應器的產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氫速率隨HRT的縮短而上升.當HRT由12 h逐步縮短到8 h、6 h、4 h時(shí)，ACR乙醇型發(fā)酵制氫系統的產(chǎn)氣速率分別為36.4、43.6、56.2、61.6 L · d-1，產(chǎn)氫速率分別為13.9、20.9、26.5、30.1 L · d-1，而氫氣含量?jì)H由HRT=12 h的38.1%上升到HRT=8 h時(shí) 的48.1%后，不再隨HRT的進(jìn)一步降低而增加，在HRT介于4 h~8 h間，氫氣含量基本保持在47.1%~48.9%的水平(圖 2).以上的變化特征說(shuō)明HRT由12 h縮短到8 h時(shí)，反應器內的微生物群落可能發(fā)生了一定演替，各產(chǎn)氫代謝途徑所占份額發(fā)生變化.因反應器在首次遭受沖擊負荷(HRT由12 h調為8 h的階段)后，反應器內存活的微生物種群活性較強，反應器的抗沖擊負荷能力得到增強，系統內的微生物群落結構也較為穩定，所以，在HRT由8 h縮短到4 h的運行過(guò)程中，反應器的氫氣含量基本不變.以上結果表明，ACR乙醇型發(fā)酵系統在HRT=4 h時(shí)，表現出最大的產(chǎn)氫速率.而根據任南琪等的研究(Ren et al., 2006)，一體化CSTR發(fā)酵制氫反應器在HRT=4 h時(shí)，系統污泥流失，反應器難以穩定運行，這表明ACR發(fā)酵制氫反應工藝較CSTR具有更好的應用前景.
圖2 ACR乙醇型發(fā)酵在不同HRT下的產(chǎn)氣情況
3.1.2 液相發(fā)酵產(chǎn)物
因不同的產(chǎn)酸發(fā)酵產(chǎn)氫微生物的生長(cháng)動(dòng)力學(xué)特征存在差異，厭氧反應器內微生物群落和代謝特性將能隨著(zhù)HRT變化而發(fā)生改變，其液相發(fā)酵產(chǎn)物各組分含量勢必也隨之改變.Wu和Li等的研究結果也都證明，HRT的改變引發(fā)了系統內的微生物種群演替，進(jìn)而影響了系統的產(chǎn)氫性能(Wu et al., 2008; Li et al., 2010).本文的研究也得到了類(lèi)似的結果.ACR發(fā)酵制氫系統在不同HRT下，反應器出水中的溶解性代謝產(chǎn)物組分也存在著(zhù)差異(圖 3).由圖 3可見(jiàn)，當HRT由12 h縮短到6 h時(shí)，乙醇含量的增幅尤為明顯，其濃度由814.8 mg · L-1增加到1643.1 mg · L-1，但當HRT進(jìn)一步降低到4 h時(shí)，乙醇濃度反而有所降低，為1312.1 mg · L-1，而乙酸的含量由HRT為12 h的338.7 mg · L-1增加到HRT為8 h的643.5 mg · L-1后，其增幅較弱.分析認為，這是由于反應器的pH控制在4.5~5.0間，乙醇型發(fā)酵產(chǎn)氫微生物活性較強，并且HRT的縮短對活性較強的乙醇型發(fā)酵產(chǎn)氫微生物進(jìn)行了篩選，其代謝活性較強的產(chǎn)氫微生物在制氫系統內得以保留下來(lái)，因而其乙醇含量隨HRT縮短而增加，而當HRT縮短到4 h時(shí)，系統可能因對底物轉化率有所減小而導致乙醇含量下降.如前所述，反應器pH始終控制在4.5~5.0間，而產(chǎn)丁酸厭氧微生物和產(chǎn)丙酸微生物的適宜pH分別為5.5~6.5、4.0~4.5(Ren et al., 2007a; Li et al., 2009)，所以，在連續流反應器的初始運行階段(HRT=12 h)期間，產(chǎn)丁酸厭氧發(fā)酵菌屬和產(chǎn)丙酸發(fā)酵菌屬就已受到抑制，活性較差的產(chǎn)酸發(fā)酵菌群已隨出水而被淘汰，在系統內存活下來(lái)的產(chǎn)丁酸厭氧發(fā)酵菌屬和產(chǎn)丙酸發(fā)酵菌屬活性較強，其受HRT影響可能較小，所以，反應器在HRT為4~12 h的運行階段，丙酸、丁酸的濃度基本未隨HRT的縮短而發(fā)生變化.在反應器的整個(gè)運行階段，丙酸和丁酸濃度分別保持在152.3~185.9 mg · L-1和76.8~134.7 mg · L-1的水(圖 3).以上實(shí)驗結果表明，ACR乙醇型發(fā)酵系統在HRT由12 h分步降為4 h的運行過(guò)程中，乙醇、乙酸含量總體呈現上升趨勢，而丙酸、丁酸基本保持不變.在HRT分別為12 h、8 h、6 h、4 h時(shí)，反應器出水中乙醇和乙酸的質(zhì)量分數之和分別為78.2%、87.7%、90.6%、88.5%，即乙醇型發(fā)酵特征隨著(zhù)HRT的縮短而更為明顯，這進(jìn)一步說(shuō)明，隨著(zhù)HRT的減小，ACR系統中的產(chǎn)乙醇發(fā)酵產(chǎn)氫種群在厭氧菌群中的豐度增加，因此，ACR發(fā)酵系統在較低的HRT下表現出更好的產(chǎn)氫性能(圖 2).
圖3 ACR乙醇型發(fā)酵在不同HRT下溶解性發(fā)酵產(chǎn)物
3.2 HRT對丁酸型發(fā)酵制氫系統的影響
3.2.1 產(chǎn)氫速率
與乙醇型發(fā)酵特性不同，ACR丁酸型發(fā)酵系統除產(chǎn)氣速率外，氫氣含量和產(chǎn)氫速率沒(méi)有隨HRT的縮短而呈遞增趨勢(圖 4).相反，ACR系統僅當HRT由12 h縮短到8 h時(shí)，產(chǎn)氫速率有所提高外(即產(chǎn)氫速率由9.0 L · d-1增加到9.3 L · d-1)，在HRT為4~8 h的運行期間，ACR發(fā)酵制氫系統的產(chǎn)氫速率隨HRT的降低而呈遞減趨勢，其氫氣含量也由HRT=8 h的36.8%逐級下降到HRT=4 h的24.9%(圖 4).這表明對于A(yíng)CR丁酸型發(fā)酵系統而言，隨著(zhù)HRT的減小，系統中代時(shí)較長(cháng)的產(chǎn)氫微生物被淘汰出去，導致其利用基質(zhì)進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氫的能力下降.ACR丁酸型發(fā)酵系統在HRT由8 h縮短為6 h時(shí)，系統的產(chǎn)氣速率由25.4 L · d-1增加到29.0 L · d-1，但其產(chǎn)氫速率卻由8.5 L · d-1減小為7.2 L · d-1(圖 4).以上結果表明，HRT對ACR丁酸型發(fā)酵和乙醇型發(fā)酵產(chǎn)氫系統的影響不同，ACR丁酸型發(fā)酵系統在HRT=8 h時(shí)，表現出最大的產(chǎn)氫速率.
圖4 ACR丁酸型發(fā)酵在不同HRT下的產(chǎn)氣情況
3.2.2 液相發(fā)酵產(chǎn)物
ACR丁酸型發(fā)酵系統在不同HRT下液相末端發(fā)酵產(chǎn)物的變化情況如圖 5所示.由圖可見(jiàn)，當HRT由12 h降低到8 h時(shí)，液相末端發(fā)酵產(chǎn)物各組分含量基本不變，這說(shuō)明這一HRT的變化未對反應器內的微生物群落結構產(chǎn)生顯著(zhù)影響，因而其氣體組分也保持不變(圖 4).但在HRT由8 h逐級降低到4 h的過(guò)程中，液相發(fā)酵產(chǎn)物中的丁酸呈遞減趨勢，而丙酸呈逐漸上升的變化規律，其中丁酸濃度由HRT=8 h的1116.9 mg · L-1減小到HRT=4 h的803.8 mg · L-1，丙酸濃度由HRT=8 h的211.6 mg · L-1增加到HRT=4 h的416.9 mg · L-1(圖 5).根據各類(lèi)產(chǎn)氫微生物的發(fā)酵代謝途徑，丙酸型發(fā)酵菌屬的代謝不僅不伴隨氫氣的產(chǎn)生，反而會(huì )消耗氫氣(Lee and Rittmann， 2009).所以，ACR丁酸型發(fā)酵系統在HRT為4~8 h的運行期間，其氫氣含量隨HRT的降低而減小，同時(shí)，反應器因丁酸型產(chǎn)氫發(fā)酵微生物活性可能隨HRT減小而降低，其產(chǎn)氫速率也隨之下降(圖 4).以上結果表明，與乙醇型發(fā)酵系統相似，雖然HRT的改變也能引起ACR丁酸型發(fā)酵制氫系統內的微生物群落結構發(fā)生改變，但HRT的縮短使得ACR丁酸型發(fā)酵反應器內的產(chǎn)丁酸產(chǎn)氫菌群的活性或數量降低，所以，ACR丁酸型發(fā)酵系統在較高的HRT(8 h)下表現出更好的產(chǎn)氫性能(圖 4).
圖5 ACR丁酸型發(fā)酵在不同HRT下溶解性發(fā)酵產(chǎn)物
3.3 不同HRT下系統內的生物量
ACR乙醇型和丁酸型發(fā)酵系統在不同HRT下生物量的變化情況如圖 6所示.由圖可見(jiàn)，在各HRT條件下，乙醇型發(fā)酵系統中的生物量始終高于丁酸型發(fā)酵系統，并且隨著(zhù)HRT的縮短，生物量的變化規律不同.對于乙醇型發(fā)酵系統而言，當HRT處于6~12 h間運行時(shí)，系統生物量隨HRT的減小而增加，分析認為這是因為HRT的縮短，導致底物營(yíng)養的增加，為微生物的繁殖提供了必要條件.當HRT縮短到4 h時(shí)，系統生物量有微弱降低趨勢，ACR乙醇型發(fā)酵制氫系統生物量由HRT=6 h的9.6 g · L-1降低到9.2 g · L-1(圖 6)，這可能是因部分產(chǎn)氫微生物代時(shí)較長(cháng)，從系統中淘汰出去所致.然而，對于丁酸型發(fā)酵系統而言，當HRT降低到8 h后，系統內的生物量隨著(zhù)HRT的減小而降低，這表明丁酸型發(fā)酵系統中的發(fā)酵產(chǎn)酸產(chǎn)氫微生物的增殖能力較產(chǎn)乙醇產(chǎn)氫微生物菌群的要弱，當系統HRT進(jìn)一步縮短時(shí)，其被淘汰出系統，在HRT=4 h時(shí)，ACR丁酸型發(fā)酵系統中的生物量?jì)H為3.47 g · L-1，進(jìn)而使得發(fā)酵產(chǎn)物中丁酸的含量隨HRT減小而降低(圖 6).以上研究結果表明，在A(yíng)CR發(fā)酵型反應器內，產(chǎn)乙醇產(chǎn)氫微生物的活性要高于產(chǎn)丁酸產(chǎn)氫菌屬，其能在較低的HRT下存活，進(jìn)而維持制氫反應系統的高效運行(圖 2~圖 5).
圖6 不同HRT下ACR乙醇型和丁酸型發(fā)酵系統中的生物量
3.4 乙醇型和丁酸型發(fā)酵產(chǎn)氫能力對比
根據上述實(shí)驗結果，ACR乙醇型發(fā)酵制氫系統在HRT=4 h時(shí)，系統產(chǎn)氫速率最大，而ACR丁酸型發(fā)酵系統在HRT=8 h時(shí)，獲得的產(chǎn)氫速率最大.為了系統比較ACR乙醇型發(fā)酵和丁酸型發(fā)酵產(chǎn)氫系統在各HRT條件下的產(chǎn)氫效能，對系統單位基質(zhì)的氫氣轉化率和污泥比產(chǎn)氫速率也進(jìn)行了比較(表 1).從反應器各階段對廢水中糖類(lèi)的轉化率來(lái)看，當ACR系統在HRT控制為12 h、8 h時(shí)，乙醇型發(fā)酵型和丁酸型發(fā)酵對糖類(lèi)的轉化率相當，分別均保持在94.8%、95%和87.5%、86.3%的水平，但當系統HRT進(jìn)一步縮小到6 h、4 h時(shí)，乙醇型發(fā)酵和丁酸型發(fā)酵系統對糖的轉化率分別下降到85.6%、72.9%和66.0%、60.7%，這表明，在較短HRT下，丁酸型發(fā)酵系統相對乙醇型發(fā)酵系統而言，其對底物的利用率要小得多，分析認為這是由于產(chǎn)丁酸發(fā)酵產(chǎn)氫微生物的代謝和增殖活性相對產(chǎn)乙醇發(fā)酵產(chǎn)氫微生物較弱(圖 3和圖 5)，HRT的縮短使得丁酸型發(fā)酵系統內的生物量下降(圖 6)所致.另外，因HRT的縮短能將系統內活性較低的微生物淘汰出去，在較小的HRT 控制條件下，反應器內存活的微生物活性和代謝能力強，因而ACR乙醇型發(fā)酵和丁酸型發(fā)酵反應器內的污泥比產(chǎn)氫速率均呈現出隨HRT的縮小而升高的變化規律.但值得注意的是，乙醇型發(fā)酵系統中污泥的比產(chǎn)氫速率要高于丁酸型發(fā)酵系統，在HRT為12 h、8 h、6 h、4 h時(shí)，ACR乙醇型發(fā)酵和丁酸型發(fā)酵系統的污泥比產(chǎn)氫速率分別為7.8、10.9、11.4、13.5 mmol · g-1 · d-1和6.8、7.1、7.8、8.6 mmol · g-1 · d-1.同時(shí)，從基質(zhì)的氫氣轉化率來(lái)看，乙醇型發(fā)酵系統也要優(yōu)于丁酸型發(fā)酵系統，乙醇型發(fā)酵和丁酸型發(fā)酵在HRT為12 h、8 h、6 h、4 h的的單位基質(zhì)氫氣轉化率分別為1.9、2.2、2.1、1.8 mol ·(mol-glucose)-1和1.3、1.0、1.0、0.5 mol ·(mol-glucose)-1，乙醇型發(fā)酵的單位基質(zhì)氫氣轉化率是丁酸型發(fā)酵的1.5~2.2倍.綜合上述反應器在不同HRT條件下的產(chǎn)氫速率、糖降解率、污泥比產(chǎn)氫活性以及基質(zhì)的氫氣轉化率來(lái)看，ACR乙醇型發(fā)酵制氫系統的產(chǎn)氫性能明顯優(yōu)于丁酸型發(fā)酵系統.當以糖蜜廢水為底物，在進(jìn)水COD為5000 mg · L-1的條件下，在取得較好的底物利用(大于80%)的基礎上，ACR乙醇型和丁酸發(fā)酵制氫系統的HRT宜分別控制在6 h和8 h的水平.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
表1 對比分析不同HRT下ACR乙醇型和丁酸型發(fā)酵系統產(chǎn)氫性能
4 結論
1)以糖蜜廢水為基質(zhì)，保持進(jìn)水COD為5000 mg · L-1不變，在HRT由12 h依次降低到8 h、6 h、4 h的運行過(guò)程中，ACR乙醇型發(fā)酵系統的產(chǎn)氫效能始終優(yōu)于丁酸型發(fā)酵制氫系統，乙醇型發(fā)酵系統的單位基質(zhì)氫氣轉化率約為丁酸型發(fā)酵的1.5～2.2倍.
2)對于乙醇型發(fā)酵系統而言，HRT的縮短導致乙醇型發(fā)酵產(chǎn)氫菌屬得到不斷富集，使得系統在HRT=4 h時(shí)，系統的產(chǎn)氫速率達到30.1 L · d-1，污泥的比產(chǎn)氫速率高達13.5 mmol · g-1 · d-1.
3)對于丁酸型發(fā)酵系統而言，HRT的縮短使得系統內生物量減小，導致底物的轉化率明顯下降，反應器在HRT為8 h時(shí)，產(chǎn)氫速率最佳，為9.3 L · d-1.
