厭氧序批反應(yīng)器加載活性炭對(duì)厭氧產(chǎn)氫的影響

謝 麗，王 磊，羅 剛，周 琪

（1.同濟(jì)大學(xué) 污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.丹麥技術(shù)大學(xué) 環(huán)境系，丹麥 靈比2800）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源問(wèn)題引起了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注和重視.氫氣作為一種無(wú)污染、可再生的理想燃料，被認(rèn)為是最具吸引力的石油替代能源.與光合生物制氫相比，厭氧生物制氫不需要光能源，反應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)運(yùn)行簡(jiǎn)單，可利用有機(jī)廢水或廢棄物（如淀粉廢水、畜牧廢水、酒精廢水、餐廚垃圾等），達(dá)到除廢和產(chǎn)能的雙重目的［1］.

完全混合釜式反應(yīng)器（completely stirred tank reactor，CSTR）是目前應(yīng)用最廣泛的生物厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫反應(yīng)器，產(chǎn)氫微生物在機(jī)械攪拌作用下懸浮生長(zhǎng)于混合液中，固液間傳質(zhì)阻力小，操作運(yùn)行簡(jiǎn)單.然而，CSTR中微生物的量受水力停留時(shí)間（HRT）影響較大，在HRT較短時(shí)可能會(huì)發(fā)生產(chǎn)氫微生物被沖出現(xiàn)象，導(dǎo)致氫氣產(chǎn)量的下降甚至產(chǎn)氫系統(tǒng)的崩潰.Show等［2］以葡萄糖配水為基質(zhì)在CSTR中發(fā)酵產(chǎn)氫，發(fā)現(xiàn)當(dāng)HRT由6h縮短至3h時(shí)反應(yīng)器中微生物被沖出，污泥量劇減，產(chǎn)氫速率由0.32L·（L·h）－1急劇下降至0.13L·（L·h）－1.厭氧序批反應(yīng)器（ASBR）可以通過(guò)每個(gè)周期中的沉降階段保留反應(yīng)器內(nèi)的污泥，使反應(yīng)器的HRT和污泥停留時(shí)間（SRT）分離，避免HRT較短時(shí)系統(tǒng)微生物流失，得到穩(wěn)定的產(chǎn)氫效果.此外序批式運(yùn)行可以減少反應(yīng)器內(nèi)溶解性代謝產(chǎn)物的積累，減輕反饋抑制作用［3］.然而Shin等［4］發(fā)現(xiàn) ASBR 出水中可沉淀污泥的產(chǎn)氫性能劣于不可沉淀污泥，大量的產(chǎn)氫微生物并不能通過(guò)沉淀階段得到有效保留、富集，使得ASBR氫氣產(chǎn)率偏低.

已有研究表明向CSTR中添加活性炭載體能使產(chǎn)氫菌在活性炭表面形成生物膜，改變產(chǎn)氫微生物的種群結(jié)構(gòu)，提高反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)氫微生物量和產(chǎn)氫效果［5］.但是目前關(guān)于ASBR中添加活性炭生物載體對(duì)高濃度有機(jī)廢水厭氧產(chǎn)氫影響的報(bào)道尚不多見(jiàn).通過(guò)向ASBR反應(yīng)器中投加活性炭可以延長(zhǎng)產(chǎn)氫微生物在反應(yīng)器中停留時(shí)間，提高反應(yīng)器對(duì)產(chǎn)氫菌富集效果.因此本文以葡萄糖為基質(zhì)，考察不同HRT條件下活性炭生物載體對(duì)ASBR高溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、產(chǎn)氫效率以及代謝產(chǎn)物分布的影響.

1 材料與方法

1.1 葡萄糖溶液和接種污泥

試驗(yàn)以葡萄糖配水為發(fā)酵底物，培養(yǎng)基由以下組分構(gòu)成.

（1）營(yíng)養(yǎng)液：CoCl2·6H2O為50mg·L－1；酵母提取物（yeast extract）為10 000mg·L－1；ZnSO4為10mg·L－1；MgSO4·7H2O為2 400mg·L－1；NiCl2為10mg·L－1；FeSO4·7H2O為500mg·L－1；H3BO3為10mg·L－1；MnSO4·H2O 為50 mg·L－1；Na2MoO4·2H2O為10mg·L－1；KI為50mg·L－1.

（2）碳氮磷母液：葡萄糖（含1個(gè)水）25g·L－1，蛋白胨2.5g·L－1，磷酸氫二鉀0.25g·L－1.

（3）緩沖液：碳酸氫鈉20g·L－1和碳酸鈉10 g·L－1.

配置方法：5ml營(yíng)養(yǎng)液、80ml碳氮磷母液和15 ml緩沖液相混合，混合液用氮?dú)獯得摵蠓旁?℃冰箱中備用.

接種污泥為江蘇太倉(cāng)新太木薯酒精廠上流式厭氧污泥床（UASB）的中溫厭氧污泥.接種污泥中揮發(fā)性懸浮固體（VSS）質(zhì)量濃度、總固體（TS）質(zhì)量濃度、pH值分別為42g·L－1，70g·L－1和7.5.接種前將污泥于90℃水浴加熱1h以抑制產(chǎn)甲烷菌的活性.

1.2 試驗(yàn)裝置與步驟

反應(yīng)在250ml的血清瓶中進(jìn)行，其中2個(gè)血清瓶中分別添加10g粗顆?；钚蕴浚é?mm×4mm）、細(xì)粉末活性炭（φ1mm～2mm）（國(guó)藥試劑公司），第3個(gè)血清瓶中不添加活性炭.在3個(gè)血清瓶中分別加入30ml經(jīng)過(guò)高溫預(yù)處理的厭氧顆粒污泥和70ml葡萄糖配水，加入蒸餾水定容至200ml，再用2 mol·L－1的 HCl溶液或2mol·L－1的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至6.0.用氮?dú)怛?qū)除瓶中殘余的氧氣后，迅速用橡膠塞將瓶密封，置于水浴搖床中，在60℃下進(jìn)行厭氧發(fā)酵，搖床的震蕩速率設(shè)為150r·min－1.3個(gè)反應(yīng)器均以序批模式在4個(gè)HRT（48，24，16，12 h）下運(yùn)行，每個(gè)周期包括4個(gè)階段：進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀和出水，每個(gè)階段運(yùn)行時(shí)間參數(shù)如表1所示.

表1 ASBR反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Operating parameters for ASBR

1.3 分析方法

液體樣品分析前在11 000r·min－1下離心10 min，上清液用來(lái)測(cè)定溶解性碳水化合物質(zhì)量濃度、揮發(fā)性脂肪酸（VFA）質(zhì)量濃度、溶解性COD以及pH值.其中溶解性碳水化合物質(zhì)量濃度采用苯酚—硫酸法測(cè)定，VFA質(zhì)量濃度用氣相色譜儀（Agilent 6890N）測(cè)定，色譜柱為J＆W DB－WAXetr（30m×0.53mm×1μm）；反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的氣體用集氣袋收集，定期用注射器量取氣體體積，氣體組分用氣相色譜儀（Agilent 6 890N）測(cè)定，色譜柱為：80/100 M Hayseq Q 0.5M×1/8in預(yù)柱（柱1），80/100M Hayseq Q 6ft×1/8in（柱2）和60/100MMolsieve 5A6ft×1/8in（柱3）；pH 值用620型pH 值計(jì)（上海英格儀器有限公司）測(cè)定.

2 結(jié)果與討論

2.1 ASBR中加載活性炭對(duì)氫氣產(chǎn)量的影響

產(chǎn)氫反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)分別向3個(gè)ASBR反應(yīng)器中加入30ml接種污泥和120ml葡萄糖溶液，用蒸餾水稀釋至200ml，間歇發(fā)酵3d.ASBR反應(yīng)器在HRT為48h下半連續(xù)運(yùn)行，15d后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（產(chǎn)氣體積波動(dòng)不超過(guò)10%），同一HRT下加載有活性炭的ASBR反應(yīng)器氫氣產(chǎn)量變化不大；無(wú)活性炭添加的ASBR每周期產(chǎn)氫體積變化較大，改變HRT時(shí)產(chǎn)氫體積波動(dòng)尤為劇烈（如圖1）.此外，每天監(jiān)測(cè)出水pH值發(fā)現(xiàn)加載活性炭的反應(yīng)器出水pH值波動(dòng)均比無(wú)活性炭加載的反應(yīng)器小，改變HRT時(shí)前者出水pH值也能很快恢復(fù)穩(wěn)定.這表明向ASBR中添加活性炭載體能使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定.這可能是由于載體表面形成的生物膜對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)酸環(huán)境的變化具有更好的抵抗能力［3］.

圖1 ASBR反應(yīng)器每周期氫氣產(chǎn)量Fig.1 Hydrogen production of ASBR per cycle

不同HRT下3個(gè)ASBR反應(yīng)器所產(chǎn)生的氣體主要由氫氣和二氧化碳組成，其中氫氣體積分?jǐn)?shù)為42%～54%，高于文獻(xiàn)［1］報(bào)道的35%～40%，這可能是由于本試驗(yàn)所用葡萄糖純基質(zhì)更易于被降解轉(zhuǎn)化產(chǎn)生氫氣.Hawkes等［6］報(bào)道 ASBR中較長(zhǎng)的SRT在增加反應(yīng)器內(nèi)生物量的同時(shí)也有利于產(chǎn)甲烷菌等世代周期長(zhǎng)的耗氫菌的生長(zhǎng)，然而本試驗(yàn)所得的生物氣體中沒(méi)有檢測(cè)到甲烷的存在，這表明熱預(yù)處理接種污泥和酸性產(chǎn)氫環(huán)境可以有效抑制產(chǎn)甲烷菌的代謝.

ASBR中活性炭載體的添加顯著提高了氫氣體積分?jǐn)?shù)，氫氣產(chǎn)率（圖2）及產(chǎn)氫速率（圖3）.不同HRT（48，24，16和12h）時(shí)，加載細(xì)活性炭載體的ASBR反應(yīng)器氫氣產(chǎn)率分別達(dá)到（2.18±0.27）mol·mol－1，（1.37±0.10）mol·mol－1，（1.41±0.07）mol·mol－1，（1.42±0.03）mol·mol－1，與無(wú)活性炭的ASBR相比分別提高65%，63%，54%和56%，這可能是因?yàn)榛钚蕴枯d體表面形成了生物膜，細(xì)菌的分布呈區(qū)位化，不同細(xì)菌以成簇的方式集中存在于一定的區(qū)域內(nèi)，提高了ASBR系統(tǒng)中微生物的產(chǎn)氫性能.在較短HRT條件下添加細(xì)活性炭時(shí)ASBR產(chǎn)氫效果優(yōu)于粗活性炭，這可能是由于細(xì)活性炭比表面積更大，富集的微生物相應(yīng)較多.HRT為12h時(shí)添加細(xì)活性炭載體的ASBR反應(yīng)器產(chǎn)氫速率達(dá)到最大（7.09±0.31）L·（L·d）－1，與不添加活性炭的 ASBR產(chǎn)氫速率（（4.54±0.23）L·（L·d）－1）相比提高了56%.

2.2 ASBR中加載活性炭對(duì)溶解性代謝產(chǎn)物分布的影響

產(chǎn)氫菌在利用葡萄糖厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的同時(shí)伴隨產(chǎn)生了VFA、乙醇等溶解性代謝產(chǎn)物（soluble metabolic products，SMP），溶解性代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生量與反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷、有機(jī)物在反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)時(shí)間、微生物量以及微生物產(chǎn)氫性能等因素有關(guān).不同HRT下3個(gè)ASBR反應(yīng)器出水中溶解性代謝產(chǎn)物均主要以乙醇、乙酸、丙酸和正丁酸為主，乙酸和正丁酸之和占出水中總?cè)芙庑源x產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)90%以上，其中正丁酸所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為46%～66%，是典型的丁酸型發(fā)酵.

HRT為24h時(shí)加載有粗、細(xì)活性炭的2個(gè)ASBR反應(yīng)器出水中溶解性代謝產(chǎn)物的質(zhì)量濃度分別達(dá)到（6 171±218）mg·L－1，（7 588±205）mg·L－1，與不添加活性炭載體的ASBR反應(yīng)器（出水SMP為（4 490±307）mg·L－1）相比分別提高了37%和69%，其中乙酸和正丁酸質(zhì)量濃度也相應(yīng)提高（圖4）.Babu等［7］在28℃，HRT為24h時(shí)利用蔗糖發(fā)酵產(chǎn)氫對(duì)比生物膜和懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)產(chǎn)氫效果，也發(fā)現(xiàn)生物膜系統(tǒng)產(chǎn)氫性能優(yōu)于懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)，前者產(chǎn)生的VFA量也更多.這可能是因?yàn)榛钚蕴枯d體表面形成的生物膜增加了反應(yīng)器內(nèi)微生物量，更多的底物被轉(zhuǎn)化成了溶解性代謝產(chǎn)物.ASBR中加載細(xì)活性炭時(shí)出水中SMP質(zhì)量濃度高于加載粗活性炭的反應(yīng)器中的，相應(yīng)氫氣產(chǎn)率和產(chǎn)氫速率也較優(yōu)，這可能是由于細(xì)活性炭比表面積更大，表面生物膜中微生物量更多的緣故.

圖4 水力停留時(shí)間為24h時(shí)ASBR中加載活性炭對(duì)出水溶解性代謝產(chǎn)物質(zhì)量濃度的影響Fig.4 Influence of activated carbon amended ASBR on SMP concentration in effluent for HRT 24h

厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程中產(chǎn)氫微生物把1mol葡萄糖降解轉(zhuǎn)化為乙酸和正丁酸分別可以得到4mol和2mol氫氣（式（1）、式（2）），代謝產(chǎn)物為乙酸時(shí)理論上可以產(chǎn)生更多的氫氣.然而有研究［8］表明在接種混合菌種的反應(yīng)器中氫氣產(chǎn)生量與乙酸的產(chǎn)生量呈負(fù)相關(guān)而與正丁酸的產(chǎn)生量呈正相關(guān).這可能是由于產(chǎn)氫反應(yīng)器中部分乙酸通過(guò)同型產(chǎn)乙酸作用生成，其過(guò)程中伴隨著氫氣的消耗（式3）.

式中：nH2為厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的氫氣的物質(zhì)的量；nHAca為通過(guò)式（1）途徑產(chǎn)生的乙酸的物質(zhì)的量；nHAcb為通過(guò)式（3）途徑產(chǎn)生的乙酸的物質(zhì)的量；nHPr和nHBu分別為產(chǎn)生的丙酸和丁酸的物質(zhì)的量.

由式（5）可以計(jì)算得 HRT為24h時(shí)3個(gè)ASBR反應(yīng)器出水乙酸中同型產(chǎn)乙酸所占總乙酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（表2）.Shin等［9］研究在35℃條件下利用ASBR反應(yīng)器發(fā)酵淀粉產(chǎn)氫，發(fā)現(xiàn)HRT為4～18h時(shí)出水中同型產(chǎn)乙酸占總乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63.4%～51.0%，與本試驗(yàn)相近.添加粗、細(xì)活性炭的2個(gè)ASBR反應(yīng)器中同型產(chǎn)乙酸占總乙酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為46.98%和46.45%，均高于無(wú)活性炭添加時(shí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)41.21%，表明活性炭在增加反應(yīng)器污泥齡的同時(shí)也可能有利于世代周期較長(zhǎng)的同型產(chǎn)乙酸菌的生長(zhǎng).然而添加活性炭的ASBR反應(yīng)器中總?cè)芙庑源x產(chǎn)物質(zhì)量濃度分別為（6 171±218）mg·L－1，（7 588±205）mg·L－1，遠(yuǎn)高于不添加活性炭時(shí)的（4 490±307）mg·L－1；此外加載活性炭時(shí)出水中正丁酸占總?cè)芙庑源x產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則分別達(dá)到62.55%±0.02%，63.53%±0.03%，均高于不加活性炭時(shí)正丁酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)58.80%±0.07%.因此，雖然加載活性炭時(shí)ASBR中同型產(chǎn)乙酸較多，但反應(yīng)器氫氣產(chǎn)率仍然高于不加載活性炭的反應(yīng)器中的.

表2 水力停留時(shí)間為24h時(shí)ASBR出水乙酸情況Tab.2 Portion of acetate produced by homoacetogens and butyrate to acetate ratio in ASBR effluent for HRT 24h

由于產(chǎn)氫反應(yīng)器中部分乙酸的生成伴隨著氫氣的消耗，丁酸與乙酸物質(zhì)的量比（B/A）常被用來(lái)表征底物代謝途徑和系統(tǒng)產(chǎn)氫性能的優(yōu)劣，其比值越大氫氣產(chǎn)率越高［10］.HRT為24h時(shí)加載粗、細(xì)活性炭的2個(gè)ASBR反應(yīng)器中B/A（表2）分別為1.39±0.13，1.41±0.07，均高于不加載活性炭時(shí)的B/A（1.06±0.10），進(jìn)一步表明添加活性炭生物載體在一定程度上提高了ASBR系統(tǒng)產(chǎn)氫性能.

不同HRT下添加活性炭的2個(gè)反應(yīng)器中均有丙酸生成，且添加細(xì)活性炭時(shí)丙酸質(zhì)量濃度比添加粗活性炭時(shí)高，這表明活性炭載體在富集產(chǎn)氫菌的同時(shí)也有利于以丙酸為代謝產(chǎn)物的微生物的生長(zhǎng).Chang等［11］在35℃以蔗糖為基質(zhì)厭氧產(chǎn)氫，也發(fā)現(xiàn)填充有活性炭載體的固定床出水中丙酸質(zhì)量濃度高于懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng).氫氣可以被直接用來(lái)形成丙酸（式（4）），因此通常認(rèn)為丙酸的產(chǎn)生會(huì)降低氫氣產(chǎn)率［5］，然而本試驗(yàn)中出水代謝產(chǎn)物以正丁酸和乙酸為主，丙酸只占很小比例，并沒(méi)有導(dǎo)致氫氣產(chǎn)率明顯下降.

相同HRT下加載活性炭的ASBR反應(yīng)器產(chǎn)氣組分、氫氣產(chǎn)率、出水pH值波動(dòng)，代謝產(chǎn)物分布以及同型產(chǎn)乙酸占總乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)均與不添加活性炭的反應(yīng)器不同，表明添加活性炭載體可能還改變了反應(yīng)器內(nèi)微生物的種群結(jié)構(gòu)和產(chǎn)氫性能.Wu等［12］以20g·L－1葡萄糖溶液為基質(zhì)分別利用CSTR反應(yīng)器和添加有粉末活性炭載體的AGSB（agitated granular sludge bed）反應(yīng)器中溫（40℃）厭氧產(chǎn)氫，發(fā)現(xiàn)活性炭在誘導(dǎo)產(chǎn)生顆粒污泥提高反應(yīng)器內(nèi)微生物量的同時(shí)還改變了產(chǎn)氫微生物的種群，CSTR反應(yīng)器中優(yōu)勢(shì)產(chǎn)氫菌為C.rumosum和C.indolis，而AGSB反應(yīng)器中微生物種群結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，其中C.pasteurianum，K.oxytoca和Streptococcussp占主導(dǎo).

2.3 HRT對(duì)葡萄糖厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響

HRT由48h縮短至24h時(shí)加載細(xì)活性炭的ASBR反應(yīng)器氫氣產(chǎn)率由（2.18±0.27）mol·mol－1急劇降低至（1.37±0.10）mol·mol－1（圖3），這可能是因?yàn)榭s短HRT導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)污泥量劇減，懸浮生長(zhǎng)的產(chǎn)氫微生物相應(yīng)減少，致使系統(tǒng)產(chǎn)氫能力下降；此外，較高的有機(jī)負(fù)荷超出了產(chǎn)氫微生物的轉(zhuǎn)化利用能力，進(jìn)水中葡萄糖利用不徹底［13］.HRT由48 h縮短至24h，出水中溶解性碳水化合物質(zhì)量濃度從1.16g·L－1升高至3.32g·L－1，繼續(xù)縮短 HRT至16h和12h，出水中溶解性碳水化合物質(zhì)量濃度變化不大，分別為2.99，2.98g·L－1，氫氣產(chǎn)率也僅在（1.41±0.07）mol·mol－1至（1.42±0.03）mol·mol－1范圍內(nèi)微小波動(dòng).這是由于隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)反應(yīng)器內(nèi)不易沉降的污泥逐漸隨出水沖出，污泥沉降性能趨于穩(wěn)定，HRT由24h縮短至12h過(guò)程中反應(yīng)器內(nèi)污泥量隨著HRT變化較小.

由于進(jìn)水中葡萄糖質(zhì)量濃度（20g·L－1）一定，縮短HRT意味著反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷逐漸升高.然而HRT由48h縮短至24h時(shí)，ASBR反應(yīng)器由于底物轉(zhuǎn)化利用不徹底導(dǎo)致氫氣產(chǎn)率低，產(chǎn)氫速率變化并不大.繼續(xù)縮短 HRT至12h時(shí)，產(chǎn)氫速率由（2.44±0.33）L·（L·d）－1逐 步 提 高 至 （7.09±0.31）L·（L·d）－1.這可能是因?yàn)殡S著 HRT 的縮短，反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷逐步提高，且代謝產(chǎn)物在反應(yīng)器內(nèi)滯留時(shí)間縮短，產(chǎn)氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)上更加有利［5］.HRT較長(zhǎng)時(shí)，酸性液相末端發(fā)酵產(chǎn)物在系統(tǒng)內(nèi)的滯留時(shí)間長(zhǎng)，當(dāng)進(jìn)水有機(jī)物質(zhì)量濃度較高時(shí)，就會(huì)造成酸性物質(zhì)的大量積累，使得反應(yīng)系統(tǒng)pH值較低，從而抑制微生物的生物活性.HRT由48h逐步縮短到12h，3個(gè)ASBR反應(yīng)器出水pH值由4.8逐步升高到5.5左右（這一范圍被認(rèn)為較適宜厭氧產(chǎn)氫［14］），這也在一定程度上促進(jìn)了產(chǎn)氫速率的提高.整體而言，隨著有機(jī)負(fù)荷提高，產(chǎn)氫速率提高而氫氣產(chǎn)率下降，文獻(xiàn)［15］在35℃條件下以蔗糖為基質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)氫，文獻(xiàn)［16］在30℃以葡萄糖為基質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)氫也得到了類似的試驗(yàn)結(jié)果（表3）.文獻(xiàn)［17］利用自主研發(fā)的連續(xù)攪拌厭氧反應(yīng)器（CSABR）在40℃發(fā)酵蔗糖產(chǎn)氫，OLR由40g·（L·d）－1提高至120 g·（L·d）－1（HRT由6h逐步縮短至2h），氫氣產(chǎn)率變化不大（0.92mol·mol－1至1.05mol·mol－1），而產(chǎn)氫速率由5.04L·（L·d）－1提高至14.55L·（L·d）－1.繼續(xù)提高 OLR至240g·（L·d）－1（縮短HRT至1h），反應(yīng)器內(nèi)生物量（以VSS計(jì)）由4.5g·L－1急劇降低至3.2g·L－1，氫氣產(chǎn)率和產(chǎn)氫速率也分別降低至0.43mol·mol－1和11.52 L·（L·d）－1.

HRT由48h縮短至24h，加載細(xì)活性炭ASBR出水中總SMP質(zhì)量濃度降低（圖5），這可能是因?yàn)殡S著HRT縮短，系統(tǒng)中微生物量隨著污泥流失而減少，且HRT降低反應(yīng)時(shí)間相應(yīng)縮短，底物轉(zhuǎn)化利用不充分；與此相對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)氫氣產(chǎn)率急劇降低.HRT由24h縮短至16h出水SMP質(zhì)量濃度分別由7 588mg·L－1略微提高至8 314mg·L－1，繼續(xù)縮短HRT至12h，出水SMP質(zhì)量濃度降低至6 310 mg·L－1.然而HRT由24h縮短至12h過(guò)程中，加載細(xì)活性炭ASBR反應(yīng)器氫氣產(chǎn)率變化并不大，這可能是由于不同HRT下同型產(chǎn)乙酸菌代謝程度不同.HRT為24h和16h時(shí)，加載細(xì)活性炭ASBR反應(yīng)器同型產(chǎn)乙酸質(zhì)量濃度分別為1 083和1 277 mg·L－1，縮短HRT至12h這一質(zhì)量濃度急劇降低至708mg·L－1，由于出水中一部分乙酸的生成伴隨著氫氣的消耗，雖然HRT為16h時(shí)出水SMP質(zhì)量濃度較高，但氫氣產(chǎn)率相比HRT為24h和12 h相差不大.HRT由24h縮短至12h，同型產(chǎn)乙酸占總乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)由46.44%縮短至38.59%，表明較短的HRT會(huì)對(duì)同型產(chǎn)乙酸菌的代謝產(chǎn)生抑制.HRT為48h時(shí)ASBR出水中未檢測(cè)到乙醇的存在；縮短HRT，反應(yīng)器中有乙醇產(chǎn)生，這表明較短的HRT條件有利于乙醇的生成.

表3 不同條件下發(fā)酵純基質(zhì)產(chǎn)氫效果對(duì)比Tab.3 Fermentative hydrogen production from pure substrates for different HRTs

圖5 水力停留時(shí)間對(duì)加載細(xì)活性炭ASBR出水溶解性代謝產(chǎn)物質(zhì)量濃度的影響Fig.5 Influence of HRT on SMP concentration in smaller size activated carbon amended ASBR

3 結(jié) 論

（1）向ASBR中添加活性炭載體能使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，出水pH值和每周期產(chǎn)氫體積波動(dòng)較小.

（2）添加活性炭可以提高ASBR系統(tǒng)氫氣產(chǎn)率和產(chǎn)氫速率.HRT為48，24，16，12h時(shí)細(xì)活性炭的添加使得ASBR反應(yīng)器氫氣產(chǎn)率分別提高65%，63%，54%，56%.HRT為12h時(shí)添加細(xì)活性炭的ASBR產(chǎn)氫速率達(dá)到最大（7.09±0.31）L·（L·d）－1，相應(yīng)的氫氣產(chǎn)率為（1.42±0.03）mol·mol－1.

（3）HRT由48h縮短至24h，3個(gè)ASBR反應(yīng)器產(chǎn)氫速率變化不大，然而氫氣產(chǎn)率急劇降低.HRT由24h縮短至12h時(shí)，3個(gè)ASBR反應(yīng)器氫氣產(chǎn)率變化不大，產(chǎn)氫速率分別由（2.72±0.23）L·（L·d－1），（2.44±0.33）L·（L·d－1），（1.99±0.35）L·（L·d）－1逐步提高至（5.25±0.23）L·（L·d－1），（7.09±0.31）L·（L·d－1），（4.54±0.23）L·（L·d）－1.在利用高濃度有機(jī)廢水厭氧產(chǎn)氫實(shí)際工程中，較短的HRT和較高的產(chǎn)氫速率意味著較小的反應(yīng)器體積和占地以及較高的能量產(chǎn)出，進(jìn)而具有較高的經(jīng)濟(jì)效益.綜合考慮發(fā)酵產(chǎn)氫技術(shù)效益和經(jīng)濟(jì)效益，HRT為12h較優(yōu).

（4）主要代謝產(chǎn)物為乙醇、乙酸、丙酸和正丁酸，其中乙酸和正丁酸占出水SMP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別高達(dá)30%～34% 和46%～66%，是典型的丁酸型發(fā)酵.添加活性炭載體可以提高ASBR反應(yīng)器出水溶解性代謝產(chǎn)物質(zhì)量濃度.縮短HRT，3個(gè)ASBR出水中SMP質(zhì)量濃度均降低.

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