接種污泥對產氫顆粒污泥形成的影響

曲媛媛，郭婉茜，丁 杰，任南琪

(哈爾濱工業(yè)大學城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，哈爾濱150090，rnq@hit.edu.cn)

作為一種可替代傳統化石能源的重要新型能源，氫氣的制備是人類戰(zhàn)略能源的發(fā)展方向.發(fā)酵法生物制氫技術以其環(huán)境友好等諸多優(yōu)點被廣泛研究［1］.顆粒污泥產氫是面向產業(yè)化應用的自固定附著生長型工藝，相較于傳統的懸浮生長型工藝，其具有生物持有量高、污泥沉降性好等優(yōu)點，是提高連續(xù)流反應器體積產氫速率的突破口［2-3］.目前，人們對厭氧污泥顆粒化的研究已經十分廣泛［4-6］，一些針對UASB反應器中產甲烷顆粒污泥的研究發(fā)現，不同接種污泥中存在的物質能夠對污泥顆?；倪M程產生影響［7-8］.也有研究者發(fā)現，采用缺氧泥作為接種污泥來啟動CSTR產氫發(fā)酵反應器，啟動時間要比采用好氧泥短［9］.而對產氫污泥顆?；夹g和理論的研究目前還處于初級階段，這主要是由于產氫細菌形成顆粒比較困難［10-12］.近年來，隨著膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應器在生物制氫領域的應用，已有研究者在特定的工程控制參數調控下，培養(yǎng)出了產氫顆粒污泥，并發(fā)現顆粒污泥產氫效率可比傳統絮狀污泥有所提高［2-3］.所以，研究EGSB系統產氫顆粒污泥的影響因素，快速培養(yǎng)具有良好產氫活性的顆粒污泥十分必要.然而，目前報道的產氫顆粒污泥主要面向丁酸型發(fā)酵的產氫微生物［13］，對乙醇型發(fā)酵產氫微生物顆粒的研究還比較缺乏.

本文采用EGSB反應器培養(yǎng)產氫顆粒污泥，采用不同的接種污泥來進行啟動，對顆粒粒徑、系統產氫速率、液相末端發(fā)酵產物等指標進行監(jiān)測，旨在從接種污泥的角度來量化和優(yōu)化乙醇型發(fā)酵產氫顆粒的形成條件，為進一步研究產氫顆粒污泥的快速培養(yǎng)及工程應用提供理論依據.

1 試驗

1.1 試驗裝置

試驗采用兩個相同的有機玻璃制成的EGSB反應器模型.反應器有效容積為3.2 L，沉淀區(qū)為1.8 L.反應器頂部設有三相分離裝置，使氣、液、固三相很好地分離，更有利于氣體的釋放.采用計量泵將廢水從進水箱以恒定流量泵入反應器內，外循環(huán)用回流泵控制.本裝置采用將電熱線纏繞在整個反應器外壁上的方式來加熱保溫，通過溫控儀將反應器內溫度控制在(35±0.5)℃.試驗裝置如圖1所示.

1.2 試驗廢水與接種污泥

試驗廢水由甜菜制糖廠排出的糖蜜廢水稀釋而成，配水時保證COD∶ρN∶ρP為1000∶5∶1左右，并投加一定比例的農用復合肥，以提供活性污泥在生長過程中對N、P等營養(yǎng)元素的需求.

試驗采用兩種接種污泥:1號反應器的接種污泥為哈爾濱市政污水排放溝底泥和本實驗室正在運行的IC反應器內的厭氧產甲烷顆粒污泥混合而成，混合體積比為1∶1，將混合污泥粉碎稀釋，初始混合液揮發(fā)性懸浮固體質量濃度(MLVSS)和混合液懸浮固體(MLSS)質量濃度分別為6.78 g/L和10.76 g/L，接種量為1 L;2號反應器的接種污泥為本實驗室正在運行的IC反應器內的厭氧產甲烷顆粒污泥，將污泥粉碎稀釋，初始MLVSS和MLSS質量濃度分別為6.83 g/L和10.35 g/L，接種量為1 L.

圖1 EGSB生物制氫反應器示意圖

1.3 反應器啟動與運行

反應器啟動COD容積負荷為(8.0±0.5) kg/(m3·d)，水力停留時間為6 h，系統運行溫度(35.0±0.5)℃.采用逐漸提高COD濃度的方式提高有機容積負荷，容積負荷從8.0 kg/(m3·d)逐漸提高到48.0 kg/(m3·d).試驗中污泥樣品均在反應器中段取樣口取出.

1.4 分析方法

按照美國1998年制定的APHA標準方法測定生物量(MLSS、MLVSS)和COD［14］.pH和ORP采用pHS-25型酸度計測量.顆粒污泥的粒徑分布采用篩分法測定.

采用LML-1型濕式氣體流量計計量發(fā)酵氣流量.發(fā)酵氣的組分及含量由SC-II型氣相色譜分析，熱傳導式探測器(TCD)，不銹鋼色譜填充柱長2.0 m，內徑5 mm，擔體Porapak Q(177～297 μm粒徑).由柱式加熱爐加熱，檢測器溫度150℃.以氮氣為載氣，流速為40 mL/min.液相末端產物(VFAs)組分及含量采用標準GC-122氣相色譜檢測.氫火焰檢測器，不銹鋼填充柱長2.0 m，內徑5 mm，擔體為GDX-103型(0.18～0.25 mm粒徑).氣化室、填充柱和檢測室溫度分別為220，190和220℃.以氮氣為載氣，流速為30 mL/min［15］.

2 結果與分析

2.1 接種污泥對EGSB產氫的影響

圖2是采用兩種不同接種污泥進行啟動，產氫速率隨容積負荷的變化規(guī)律.可以看出，添加了污水排放溝底泥的1號反應器運行狀況較為平穩(wěn).從第12 d起，產氫呈逐漸升高的趨勢.而2號反應器的適應期較長，從第20 d起產氫速率才開始有明顯的上升趨勢.到本組試驗末期，1號反應器的產氫速率達到5.05 L/(L·h)，2號反應器的產氫速率為4.10 L/(L·h)，1號產氫速率為2號的1.23倍，而且在整個試驗階段，1號反應器的產氫速率始終高于2號反應器.盡管在啟動初期，兩個反應器內均可監(jiān)測到甲烷氣體產生，但隨著運行容積負荷的增加和環(huán)境pH值迅速由7.1下降至4.3左右，產氫產酸細菌逐漸占據優(yōu)勢，兩反應器均可以產氫.這也說明用于接種的產甲烷顆粒污泥內部含有大量的產氫產酸細菌.兩反應器產氫能力的不同與微生物的初始種群結構不同有關，混合了污水排放溝底泥的反應器內生物多樣性更為豐富，微生物活性好，傳質效率高，保證了其高效產氫.

圖2 產氫速率隨容積負荷的變化

2.2 接種污泥對產氫顆粒粒徑的影響

表1和表2是兩個反應器中顆粒污泥的粒徑分布隨運行時間的變化.可以看出，1號反應器在第10 d時，已經可以觀察到絮狀污泥的聚集現象.與2號反應器相比，1號反應器可較快地形成產氫污泥顆粒.在第40 d取樣觀察，1號反應器內粒徑>1.4mm的顆粒已經占到30%，而2號反應器中主要以0.8～1.0 mm的顆粒為主.

表1 顆粒污泥的粒徑分布隨運行時間的變化(1號反應器)

表2 顆粒污泥的粒徑分布隨運行時間的變化(2號反應器)

本研究中，污泥的接種量是6.5～7.0 g/L，文獻［16］指出，為了加快顆粒化進程，縮短反應器的啟動時間，接種量以5～15 g/L為宜，較大的接種量可以縮短啟動時間.還有報道指出經過厭氧消化的接種物可以較快地形成顆粒污泥［17］.本研究表明，缺氧污泥混合厭氧污泥進行接種，可以快速培養(yǎng)產氫顆粒污泥.而且在第40 d培養(yǎng)的顆粒污泥的平均粒徑約在1.1～1.4 mm.直接用產甲烷顆粒污泥粉碎后進行產氫顆粒污泥的培養(yǎng)，在第40 d，培養(yǎng)出的顆粒污泥的平均粒徑僅約0.8～1.1 mm.1號平均粒徑約為2號的1.25倍.除了上述因素，1號反應器中較高的產氣速率也可能是促進顆?；^程的重要原因.

從顆粒污泥形成的幾種理論假說分析，這種現象基本驗證了Sehmidt等［6］提出的理論.他的團隊在總結前人研究成果后提出，顆粒污泥的形成一般分為4步:(1)細菌向惰性物質或其他菌體表面移動;(2)通過理化作用將細菌可逆地吸附在一起或者惰性物質上;(3)通過微生物吸附物(如胞外多聚物)的作用將細菌不可逆地粘附在一起或者吸附在惰性物質上;(4)細菌的倍增和顆粒污泥的增大.分析可知，1號反應器接種污泥添加了50%的污水排放溝底泥，污水排放溝底泥由含量較高的惰性物質和微生物組成，而惰性物質恰恰充當了顆粒污泥形成初期為微生物粘附和附著所提供的載體，并且能夠減少活性產氫微生物的流失，使反應器穩(wěn)定運行，保障顆?；目焖龠M行.與1號反應器相比，2號反應器內的活性微生物在pH較低的環(huán)境條件下活性降低，很多微生物隨出水流失，大大阻礙了微生物顆粒化的進程.這同時也說明，污水排放溝底泥中的惰性物質作為顆粒污泥形成初期的載體物質，有利于顆?；^程的進行.

2.3 接種污泥對液相末端發(fā)酵產物的影響

由運行過程中液相末端產物的變化規(guī)律(圖3)可以看出，兩個反應器從啟動初期到啟動結束經歷了復雜的生態(tài)演替過程.1號反應器(圖3(a))和2號反應器(圖3(b))具有相似的產酸規(guī)律.啟動初期，兩反應器呈現混合酸發(fā)酵狀態(tài)，而此時乙醇產量比較低.隨容積負荷的提高，其他揮發(fā)酸含量都逐漸降低，乙醇含量逐漸增加.到啟動末期，兩個反應器中乙醇和乙酸占總液相末端產物的質量分數分別為85.6%和80.2%，說明乙醇型發(fā)酵已經形成.發(fā)酵類型的改變是微生物種群適應環(huán)境條件進行自身演替和調節(jié)的表現.許多研究者認為，丁酸型發(fā)酵是生物制氫的主要發(fā)酵類型［11，18-19］，任南琪等人研究認為，乙醇型發(fā)酵更具優(yōu)勢，有利于產氫的進行［20］.不同的接種污泥對反應系統的發(fā)酵類型并未產生影響，兩反應器發(fā)酵產物的產量有所不同.與1號反應器相比，2號反應器略低的發(fā)酵產量也是反應器內的微生物活性降低，并有部分微生物隨出水流失的體現.

圖3 液相末端發(fā)酵產物的變化

2.4 接種污泥啟動末期反應器運行參數的影響

表3是兩個反應器達到乙醇型發(fā)酵時的運行參數.

表3 兩反應器啟動末期運行參數

可見，影響發(fā)酵類型的主要因素是環(huán)境因子，而接種污泥的不同導致發(fā)酵產物的產量有所不同.以混合污泥接種反應器液相末端發(fā)酵產物的產量要高于以厭氧污泥接種的反應器的，并且耐酸性更好，可在pH3.9條件下保持穩(wěn)定產氫，突破了Hwang等［21］認為的發(fā)酵法生物制氫工藝的控制下限.這一優(yōu)越性可使工程應用中為調節(jié)pH值而投加堿性物質的費用大大降低.1號反應器內揮發(fā)性懸浮固體質量濃度為27.2 g/L，2號反應器內為24.1 g/L，前者為后者的1.13倍，說明1號反應器的顆?；M程更好.保持具有較高產氫活性的生物量是生物制氫反應器穩(wěn)定運行和高效產氫的關鍵.

3 結論

1)采用缺氧污泥混合厭氧污泥進行接種的反應器可快速形成顆粒污泥并產氫，在整個啟動過程中產氫速率始終高于厭氧接種的反應器.在啟動末期，混合污泥接種的反應器內顆粒污泥的平均粒徑為厭氧污泥反應器顆粒污泥平均粒徑的1.25倍，產氫速率為1.23倍.

2)混合污泥接種的反應器和厭氧污泥接種的反應器均形成了乙醇型發(fā)酵.接種污泥不是產酸發(fā)酵類型的控制因素，但會影響液相末端發(fā)酵產物的產量，兩個反應器中乙醇和乙酸占總液相末端產物的質量分數分別為85.6%和80.2%.混合污泥接種的反應器具有更好的耐酸性，穩(wěn)定運行時兩個反應器內的pH值分別為3.9～4.3和4.0～4.4.

3)混合污泥接種的EGSB反應器在水力停留時間為6 h，COD容積負荷由8.0 kg/(m3·d)提高到48.0 kg/(m3·d)，啟動過程末期達到了穩(wěn)定運行狀態(tài)，形成了平均粒徑為1.1～1.4 mm的顆粒污泥，產氫速率達到5.05 L/(L·h).

4)啟動末期，混合污泥接種的反應器內揮發(fā)性懸浮固體質量濃度為27.2 g/L，厭氧污泥接種的反應器內為24.1 g/L，前者為后者的1.13倍，說明混合污泥接種的反應器顆粒化水平更完全.

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