ABR發(fā)酵系統(tǒng)運(yùn)行特性及產(chǎn)氫效能研究

鄭國臣,李建政,昌 盛,張照韓,官 滌,金 羽,郭靜波,盧海鳳 (1.松遼水資源保護(hù)科學(xué)研究所,吉林 長春 1001；.哈爾濱工業(yè)大學(xué),城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 10090；.哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 10001；.東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院,吉林 長春 101；.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,北京 10008)

隨著能源危機(jī)的加劇,氫氣作為清潔能源受到了廣泛關(guān)注,特別是利用生物質(zhì)進(jìn)行發(fā)酵制氫研究發(fā)展迅速[1-2].發(fā)酵法生物制氫的基本原理是基于產(chǎn)酸發(fā)酵菌群對糖類的降解同時(shí)產(chǎn)生氫氣,根據(jù)代謝產(chǎn)物的不同,發(fā)酵類型可以分為丙酸型發(fā)酵、丁酸型發(fā)酵,乙醇型發(fā)酵,其中乙醇型發(fā)酵類型產(chǎn)氫效能最高[3-4].因此,通過調(diào)控生物制氫系統(tǒng),使發(fā)酵菌群達(dá)到乙醇型發(fā)酵是系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ).

連續(xù)流攪拌槽式反應(yīng)器(CSTR)是發(fā)酵法生物制氫所采用最廣泛的反應(yīng)器,具有傳質(zhì)效率高、活性污泥持有量大、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn);但也存在基質(zhì)降解程度有限、基質(zhì)氫氣轉(zhuǎn)化率低,成為制氫成本降低的限制因素[5-6].為提高基質(zhì)氫氣轉(zhuǎn)化率,進(jìn)一步降低制氫成本,關(guān)于高效、新型反應(yīng)器的研發(fā)與運(yùn)行調(diào)控等方面較多研究[7-10].目前,厭氧生物處理系統(tǒng)應(yīng)用最普遍的是上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB),在此基礎(chǔ)上,又相繼開發(fā)出厭氧膨脹床、厭氧流化床、厭氧生物轉(zhuǎn)盤和厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)等近年來研究較多[11-13].由于ABR通過生物相的有效分離,系統(tǒng)達(dá)到高效處理,使生物質(zhì)得到梯級利用.但 ABR在連續(xù)流發(fā)酵制氫系統(tǒng)中的應(yīng)用并不多見[14].

為降低發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)的動(dòng)力消耗,同時(shí)提高基質(zhì)的氫氣轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)器的產(chǎn)氫能力,本研究以ABR作為發(fā)酵制氫反應(yīng)器,研究其運(yùn)行特性及調(diào)控技術(shù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

CSTR(圖 1)有效容積 9.6L,沉淀區(qū) 5.4L[15].3格室 ABR(圖 2)有效容積 27.8L,單格有效容積9.2L[16].2種反應(yīng)器通過溫控儀控制溫度均為35℃左右.

圖1 CSTR反應(yīng)系統(tǒng)及流程示意Fig.1 CSTR system Schematic diagram

1.2 接種污泥

接種污泥為哈爾濱太平污水處理廠的剩余污泥.CSTR接種污泥的 MLVSS 為 19.26g/L,ABR3格室MLVSS依次為6.41,6.62,6.54g/L.

1.3 試驗(yàn)廢水

采用甜菜制糖廠的廢糖蜜加水稀釋配制實(shí)驗(yàn)用水,投加少量尿素和 K2HPO4,使廢水 COD:N:P=200～500:5:1.

1.4 分析項(xiàng)目及測定方法

COD、pH 值、堿度(ALK,以 CaCO3計(jì))、MLSS、MLVSS等常規(guī)分析項(xiàng)目,均采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定[17];產(chǎn)氣量采用濕式氣體流量計(jì)計(jì)量;氣體成份及含量、揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)和乙醇采用氣相色譜測定[18].

圖2 ABRⅠ反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of ABR

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 ABR系統(tǒng)的產(chǎn)氫特性

由圖3可見,第1格室,系統(tǒng)啟動(dòng)初期,產(chǎn)氣量和氫氣產(chǎn)量波動(dòng)較大;第14d,產(chǎn)氣量迅速上升,第25d,產(chǎn)氣量達(dá)到14.0L/d,并在運(yùn)行中保持穩(wěn)定.經(jīng)過13d的馴化,活性污泥適應(yīng)了系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境,產(chǎn)氣量從2.4L/d(第 14d)迅速攀升至 14.0L/d(第 25d),氫氣含量也隨之從22%(第14d)增加至51%(第25d),并基本保持穩(wěn)定.在第26～55d的穩(wěn)定期,第1格室的產(chǎn)氣量14.1L/d,產(chǎn)氫量7.2L/d,氫氣含量51%.

ABR第2格室和第3格室的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氫量也有相似的變化規(guī)律,停滯期階段與第 1格室不同,系統(tǒng)運(yùn)行至第 6d,產(chǎn)氣量和產(chǎn)氫量開始上升.由于第1格室的緩沖作用為第2、3格室微生物創(chuàng)造了適宜的條件.在 ABR運(yùn)行的穩(wěn)定期(第26～55d),第 2格室的產(chǎn)氣量 25.1L/d、產(chǎn)氫量15.1L/d,氫氣含量 60%;第 3格室的產(chǎn)氣量20.1L/d、產(chǎn)氫量10.2L/d,氫氣含量51%.

2.2 ABR產(chǎn)氫系統(tǒng)的液相末端發(fā)酵產(chǎn)物

由圖4可見,ABR啟動(dòng)后,前20d,第1格室的液相末端發(fā)酵產(chǎn)物總量為 725～930mg/L,第 20d開始迅速增加,第26 d后達(dá)到穩(wěn)定,液相末端發(fā)酵產(chǎn)物總量為 1255.0mg/L.液相末端發(fā)酵產(chǎn)物各組分含量發(fā)生著顯著的變化.第 10d,乙醇、乙酸、丙酸和丁酸分別為 159.2,311.2,176.5,262.6mg/L,乙酸和丁酸含量之和為總量的 63%,呈現(xiàn)丁酸性發(fā)酵特征.在第 11～20d的運(yùn)行中,丁酸含量逐漸下降,而乙醇和丙酸的含量逐漸上升,第 20d時(shí),乙醇、乙酸、丙酸和丁酸含量分別為170.2,367.3,288.8,118.9mg/L.第26d,第1格室達(dá)到穩(wěn)定階段,此階段乙醇、乙酸、丙酸、丁酸和戊酸分別為443.4,432.5,244.8,107.7,26.6mg/L,其中乙醇和乙酸含量之和占總量70%,為典型的乙醇型發(fā)酵.液相末端發(fā)酵產(chǎn)物的變化規(guī)律,反映了活性污泥微生物代謝特征的改變,也揭示了活性污泥在馴化過程中的微生物群落結(jié)構(gòu)的變化.

圖3 ABR型制氫反應(yīng)系統(tǒng)生物氣體及氫氣含量的變化Fig.3 Biogas and hydrogen yields of each compartment in the ABR system

第2、3格室的代謝特征也發(fā)生相似的演變過程.第2格室的前5d,呈現(xiàn)混合酸發(fā)酵類型;第6～16d,丁酸發(fā)酵類型占優(yōu)勢;從第 17d開始,乙醇、乙酸和丙酸含量顯著增加,而丁酸含量則明顯下降;第 24d開始,丙酸含量開始下降,而乙醇和乙酸含量逐漸增加;第 26～55d,液相末端發(fā)酵產(chǎn)物保持相對穩(wěn)定,此時(shí),乙醇、乙酸、丙酸、丁酸和戊酸平均含量分別為 633.6,767.5,387.7,181.1,83.6mg/L,其中乙醇與乙酸含量之和為總量的68.23%,呈現(xiàn)出乙醇型發(fā)酵特征.第3格室液相末端發(fā)酵產(chǎn)物達(dá)到穩(wěn)定期(第 26～55d),乙醇、乙酸、丙酸、丁酸和戊酸含量分別為908.1,1093.9,323.7,268.8,166.5mg/L,其中乙醇與乙酸含量之和為總量 73%,呈現(xiàn)乙醇型發(fā)酵特征.

圖4 系統(tǒng)各個(gè)格室VFAs及乙醇的變化Fig.4 The variation of VFAs and ethanol of the ABR system

2.3 ABR產(chǎn)氫系統(tǒng)的影響因子

pH值、ALK和ORP是產(chǎn)氫發(fā)酵菌群的重要生態(tài)影響因子[19].前25d,產(chǎn)氫系統(tǒng)的3格室pH值、ALK和ORP發(fā)生了明顯的變化(表1).第1格室,pH 4.8(第 1d)降低到 pH 3.5(第 15d).而第 2、3格室則在運(yùn)行的第10d即達(dá)到最低值,pH值分別為3.7和3.9.各格室ORP的變化規(guī)律差異較大,第 1格室從啟動(dòng)時(shí) ORP-510mV逐漸上升到-190mV(第20d),之后又有所下降,第25d的ORP為-230mV;第2、3格室,在運(yùn)行的前25d,ORP分別為-490～-210mV 和-440～-250mV,波動(dòng)較大,直到 25d之后才穩(wěn)定(-250mV).系統(tǒng)運(yùn)行 25d后,3格室的分別穩(wěn)定在pH為4.3～4.4、ALK為306～334mg/L和ORP為-240～-250mV.

表1 系統(tǒng)運(yùn)行55d pH值、ALK和ORP的變化Table 1 The variation of pH, alkalinity and ORP in the ABR during 55 days operation

ABR的前15d,3格室的VFAs總量分別為832.0、1521.0和1688.0mg/L.pH值在4.7以下,pH值主要取決于ALK,即HCO3-濃度,而 HCO3-濃度與系統(tǒng)產(chǎn)生的CO2直接相關(guān),ABR 3格室的產(chǎn)氣量很少,HCO3-濃度較低,VFAs濃度變化不大,pH值和 ALK 呈現(xiàn)了下降趨勢.運(yùn)行 15d后,隨著ABR 3格室的產(chǎn)氣量和VFAs濃度迅速增加,產(chǎn)生更多的CO2,由HCO3-濃度的增加導(dǎo)致ALK的提高,使系統(tǒng)的 pH值更加穩(wěn)定.系統(tǒng)運(yùn)行到 15d后,3格室的pH值仍穩(wěn)定在4.4左右.對于ABR系統(tǒng),ORP會(huì)受到pH的影響.如表1所示,pH低時(shí)ORP高,而pH值高時(shí)ORP則低.

2.4 ABR產(chǎn)氫系統(tǒng)COD的去除情況

厭氧處理系統(tǒng)去除廢水中有機(jī)物,主要通過產(chǎn)甲烷菌群作用實(shí)現(xiàn)的[20].而 ABR生物制氫系統(tǒng)以產(chǎn)酸發(fā)酵菌群代謝為主,對廢水 COD的去除主要是通過微生物細(xì)胞合成、CO2和H2釋放實(shí)現(xiàn),大多數(shù)量的 COD 被轉(zhuǎn)化為揮發(fā)酸,仍然停留在ABR系統(tǒng)中,所以COD去除率相對較低.

由表2可見,ABR 3格室COD濃度均隨著進(jìn)水COD的變化而波動(dòng).在運(yùn)行初期, 發(fā)酵菌群可以利用大分子碳水化合物、脂肪酸及蛋白質(zhì)等,增長速率快;而產(chǎn)乙酸菌群僅能利用簡單的有機(jī)物如揮發(fā)性脂肪酸、乙醇、CO2和H2等,增長速度較慢.ABR的第1格室,由于進(jìn)水提供了充足的底物,使產(chǎn)酸發(fā)酵菌群迅速增長,第18d達(dá)到穩(wěn)定,而pH值、ALK和ORP在運(yùn)行到第26d時(shí)才達(dá)到穩(wěn)定.第18d后,第1格室的的優(yōu)勢菌群為產(chǎn)酸發(fā)酵菌群.由于糖類在第1格室的降解,ABR系統(tǒng)的第 2、3格室,發(fā)酵中間產(chǎn)物(如乙醇、丙酸、丁酸等)逐漸升高,為產(chǎn)乙酸菌的增長提供了良好的生態(tài)條件.第2、3格室的生物量在運(yùn)行到第33d后趨于穩(wěn)定,而發(fā)酵類型和其他的運(yùn)行參數(shù)已經(jīng)在第 26d達(dá)到穩(wěn)定,這是由于產(chǎn)乙酸細(xì)菌的增長速率低于產(chǎn)酸發(fā)酵菌群,它需要在比較長的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài).

根據(jù)ABR從第33～55d的運(yùn)行數(shù)據(jù),3格室的生物量為 7.31,10.44,10.02gMLVSS/L,產(chǎn)氫量為 7.2,15.1,10.2L/d,各格室比產(chǎn)氫速率分別為0.11,0.16,0.11L/(gMLVSS·d),系統(tǒng)比產(chǎn)氫速率為0.13L/(gMLVSS·d).

表2 ABR系統(tǒng)運(yùn)行過程中各個(gè)格室COD變化Table 2 COD in each compartment of the ABR during 55 days operation

由于接種污泥自身的代謝作用和污泥絮體的吸附作用,各格室對COD有一定的去除.第26～55d,ABR對COD的去除率相對穩(wěn)定,進(jìn)水COD濃度為5270mg/L,第1、2、3格室出水COD濃度分別為5097,4946,4776mg/L,產(chǎn)氫量為32.5L/d,由此可計(jì)算出ABR系統(tǒng)單位COD的比產(chǎn)氫率為0.13L/gCOD,其中第1、2、3格室的平均單位COD比產(chǎn)氫速率分別為0.03,0.06,0.04L/gCOD.

2.5 ABR產(chǎn)氫系統(tǒng)生物量變化情況

在ABR運(yùn)行的初期,各格室的生物量呈現(xiàn)下降趨勢,在第 6d達(dá)到最低,分別為 5.40,5.47,5.36gMLVSS/L,之后逐漸上升,第 1格室在達(dá)到7.30gMLVSS/L(第 18d),并在以后保持穩(wěn)定運(yùn)行.從液相末端產(chǎn)物的結(jié)果分析,第 1格室運(yùn)行至第26d才達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);第2、3格室的生物量,第33d才達(dá)到穩(wěn)定,分別為 8.9,9.4gMLVSS/L.可見,生物量的增長和群落演替可以同時(shí)發(fā)生,但步調(diào)并不一致,這是由于系統(tǒng)中菌群的增殖速率不同而造成的.

2.6 ABR與CSTR運(yùn)行特性比較

如表 3所示,在進(jìn)水 COD 5000mg/L,溫度35℃等相同條件下,考察了乙醇型產(chǎn)氫系統(tǒng)CSTR、ABR的最大產(chǎn)氫能力.

當(dāng)進(jìn)水 COD濃度、進(jìn)水流量發(fā)生變化時(shí),都會(huì)對發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)造成沖擊.由于 CSTR的混合液是均勻的,其抵抗能力基本來自混合液對進(jìn)水的稀釋作用,而這種稀釋作用為系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力的貢獻(xiàn)是一定的,很容易引起系統(tǒng)內(nèi) pH值、ALK和ORP等環(huán)境條件的變化,因而會(huì)影響產(chǎn)氫系統(tǒng)的污泥的代謝活性,從而造成產(chǎn)氫速率的變化.研究中發(fā)現(xiàn),在穩(wěn)定的乙醇型發(fā)酵階段,CSTR反應(yīng)系統(tǒng)的產(chǎn)氫速率也會(huì)在 9.75～14.99L/d較大范圍內(nèi)波動(dòng).而 ABR系統(tǒng),即便是受水質(zhì)變化影響最大的第 1格室,在穩(wěn)定運(yùn)行階段(第 26～55d),其產(chǎn)氫速率的波動(dòng)范圍僅為6.65～7.61L/d.ABR第 1格室產(chǎn)氫速率穩(wěn)定的主要原因是格室中的污泥床可能起到了重要作用.在污泥床中,聚集了懸浮的高密度的微生物絮體,它們與格室內(nèi)環(huán)境相互作用,構(gòu)成了穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng),當(dāng)水質(zhì)發(fā)生變化時(shí),該系統(tǒng)可以通過內(nèi)平衡機(jī)制維持其穩(wěn)定性.ABR第 1格室的緩沖作用,保障第2、3格室的穩(wěn)定運(yùn)行起,它們在穩(wěn)定期的產(chǎn)氫速率維持在15.7～16.0L/d和9.6～10.9L/d.

表3 兩種產(chǎn)氫系統(tǒng)乙醇型發(fā)酵的運(yùn)行特性比較結(jié)果Table 3 Comparison of the CSTR and ABR hydrogen-producing capability

葡萄糖在厭氧條件下,可以通過產(chǎn)酸發(fā)酵細(xì)菌和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌這兩類菌群的先后作用產(chǎn)生氫氣.第1步,葡萄糖在產(chǎn)酸發(fā)酵類細(xì)菌的作用下,通過EMP途徑產(chǎn)生乙酸、丙酸、丁酸和乙醇等,同時(shí)釋放H2;第2步,丙酸、丁酸和乙醇在一類被稱作產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的微生物作用下,轉(zhuǎn)化為乙酸,同時(shí)釋放H2[13].在CSTR系統(tǒng)中,混合液均勻混合的特性使產(chǎn)酸發(fā)酵細(xì)菌在厭氧活性污泥中占有絕對優(yōu)勢,而代謝速率相對慢和代時(shí)相對長的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌無法被選擇而被淘汰,因此,其對葡萄糖的代謝產(chǎn)氫主要是通過產(chǎn)酸發(fā)酵反應(yīng)實(shí)現(xiàn),其代謝產(chǎn)生的乙醇、丙酸和丁酸幾乎不能通過產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸作用而進(jìn)一步產(chǎn)氫.ABR的各格室均能形成與其內(nèi)環(huán)境相適應(yīng)的微生物群落,即實(shí)現(xiàn)了生物相的分離.分析認(rèn)為,基質(zhì)和環(huán)境的選擇作用是改變微生物群落的主要原因.因此,在 ABR 系統(tǒng)中,葡萄糖不僅可以通過生化反應(yīng)產(chǎn)生氫氣(第 1格室),而且產(chǎn)酸發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)生的乙醇、丙酸和丁酸還可在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的代謝作用下,進(jìn)一步轉(zhuǎn)化并產(chǎn)氫(第 2、3格室).CSTR系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的乙醇型發(fā)酵后獲得的最大產(chǎn)氫能力為0.06L/(gMLVSS·d),而 ABR 系統(tǒng),在穩(wěn)定的乙醇型發(fā)酵時(shí),單位生物量的比產(chǎn)氫率為0.13L/(gMLVSS·d),表明ABR對底物的轉(zhuǎn)化產(chǎn)氫能力要高于CSTR.這是ABR比CSTR比產(chǎn)氫速率高的主要原因.

研究表明,通過糖酵解途徑,1mol葡萄糖在降解轉(zhuǎn)化為乙酸,或丁酸,或乙醇的過程中,理論上只能產(chǎn)生2 mol的氫氣,通過輔酶Ⅰ的氧化與還原也能產(chǎn)生一部分氫氣,而丙酸發(fā)酵途徑根本就沒有氫氣的產(chǎn)生,這就是產(chǎn)酸發(fā)細(xì)菌很難突破4 molH2/molG的原因[21-22].HPA可將產(chǎn)酸發(fā)酵菌群產(chǎn)生的丙酸、丁酸等VFAs和醇類進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙酸,同時(shí)釋放分子氫.因此,將產(chǎn)酸發(fā)酵菌群的產(chǎn)酸發(fā)酵作用與HPA的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸作用聯(lián)合起來,就能實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的梯度發(fā)酵產(chǎn)氫,大幅提高基質(zhì)的氫氣轉(zhuǎn)化率.而這也正是ABR產(chǎn)氫效能高于CSTR的主要原因.

3 結(jié)論

3.1 采用 ABR作為有機(jī)廢水發(fā)酵制氫反應(yīng)設(shè)備,在35℃和進(jìn)水COD 5000mg/L條件下,系統(tǒng)可在26d達(dá)到運(yùn)行的穩(wěn)定狀態(tài).ABR系統(tǒng)產(chǎn)氫系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定期,第 1格室的產(chǎn)氣量 14.1L/d,產(chǎn)氫量7.2L/d,氫氣含量 51%,均為最重要產(chǎn)氫格室.第 2格室和第 3格室的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氫量也有相似的變化規(guī)律,產(chǎn)氣量和產(chǎn)氫量開始上升.

3.2 ABR產(chǎn)氫系統(tǒng)的相末端發(fā)酵產(chǎn)物,3格室達(dá)到穩(wěn)定階段,均為典型的乙醇型發(fā)酵.液相末端發(fā)酵產(chǎn)物的變化規(guī)律,反映了活性污泥微生物代謝特征的改變,也揭示了活性污泥在馴化過程中的微生物群落結(jié)構(gòu)的變化.

3.3 pH值、ALK和ORP是ABR產(chǎn)氫系統(tǒng)發(fā)酵菌群的重要生態(tài)影響因子.

3.4 ABR系統(tǒng)單位 COD的比產(chǎn)氫率為0.13L/gCOD,3格室的平均單位COD比產(chǎn)氫速率分別為 0.03,0.06,0.04L/gCOD.而在同樣條件下,CSTR的比產(chǎn)氫速率僅為0.06L/(gMLVSS·d).

3.5 在 ABR運(yùn)行的初期,各格室的生物量呈現(xiàn)下降趨勢,在第 6d達(dá)到最低,分別為 5.40,5.47,5.36gMLVSS/L,之后逐漸上升,第 1格室在達(dá)到7.30gMLVSS/L(第 18d),并在以后保持穩(wěn)定運(yùn)行.從液相末端產(chǎn)物的結(jié)果分析,第 1格室運(yùn)行至第26d才達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);第2、3格室的生物量,第33d才達(dá)到穩(wěn)定,分別為 8.9,9.4gMLVSS/L.可見,生物量的增長和群落演替可以同時(shí)發(fā)生,但步調(diào)并不一致,這是由于系統(tǒng)中菌群的增殖速率不同而造成的.

3.6 與CSTR相比,ABR具有較高產(chǎn)氫效能、較低能源消耗等優(yōu)點(diǎn).將產(chǎn)酸發(fā)酵菌群的產(chǎn)酸發(fā)酵作用與HPA的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸作用聯(lián)合起來,就能實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的梯度發(fā)酵產(chǎn)氫,大幅提高基質(zhì)的氫氣轉(zhuǎn)化率.而這也正是ABR產(chǎn)氫效能高于CSTR的主要原因.

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