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      厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫關(guān)鍵影響因素考察與優(yōu)化

      2014-04-09 08:14:50李鑫鋼
      化學(xué)工業(yè)與工程 2014年1期
      關(guān)鍵詞:產(chǎn)氫厭氧發(fā)酵活性污泥

      李 超,李鑫鋼,2,隋 紅,2*

      (1.天津大學(xué)化工學(xué)院,天津 300072;2.精餾技術(shù)國家工程研究中心,天津 300072)

      隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步,化石燃料的大量使用造成的環(huán)境污染和能源危機(jī)問題日益嚴(yán)重,世界各國均著力開發(fā)清潔的可再生能源。氫能因其能量密度高、清潔無污染和熱轉(zhuǎn)化效率高的優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是最理想的礦石燃料替代能源[1]。生物制氫是一種新型的制氫方法,是把自然界中水或有機(jī)物中的能量通過產(chǎn)氫菌的作用轉(zhuǎn)化為氫氣,是微生物自身新陳代謝的作用,反應(yīng)在常溫常壓的溫和條件下進(jìn)行,同時(shí)可以將各種工農(nóng)廢棄物、廢水作為反應(yīng)原料,實(shí)現(xiàn)廢物利用和能源生產(chǎn)的雙重作用。與傳統(tǒng)的制氫方法相比,生物發(fā)酵制氫以其環(huán)境友好和產(chǎn)氫穩(wěn)定性高等優(yōu)勢成為一種新興的氫氣生產(chǎn)技術(shù)[2]。厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫可利用的發(fā)酵底物很廣泛,利用工廠的含糖廢水(如制糖廠、啤酒廠等)、造紙廠富含纖維素廢水、面粉廠廢水、廚余垃圾等作為發(fā)酵底物進(jìn)行厭氧發(fā)酵制氫均有文獻(xiàn)報(bào)道。發(fā)酵產(chǎn)氫的菌種從最初的純菌發(fā)展到現(xiàn)在被廣泛使用的厭氧活性污泥和動物糞便堆肥等混合菌種,既消除了純菌的雜菌污染問題,且來源方便降低產(chǎn)氫成本。但是厭氧發(fā)酵制氫會受到各種環(huán)境和實(shí)驗(yàn)條件因素的影響,如發(fā)酵液 pH值[3-4]及含量[5-9]、菌種來源及與處理方式等[10-12],而并沒有文獻(xiàn)對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的主要影響因素進(jìn)行全面研究分析。因此,本研究對影響厭氧發(fā)酵制氫的主要因素進(jìn)行系統(tǒng)地研究討論,確定其影響效果,最終得到較適宜的產(chǎn)氫條件,實(shí)現(xiàn)提升產(chǎn)氫效率的目標(biāo)。

      1 實(shí)驗(yàn)部分

      1.1 接種污泥

      本研究采用厭氧活性污泥作為混合菌種,污泥取自天津市某污水處理廠。取回污泥后,在4℃下進(jìn)行冷藏保存待用。污泥 pH值為6.3,懸浮固體(SS)和揮發(fā)性懸浮固體(VSS)的含量分別為84.8%和8.2%。

      1.2 模擬廢水組成

      模擬含糖廢水的組成(g/L)為:葡萄糖:20,(NH4)2SO4:1.00 ~8.00,KH2PO4:1.50,CoCl2·6H2O:0.20,F(xiàn)eSO4:0 ~0.30,CaCl2·2H2O:0.10,MnCl2·6H2O:0.10,ZnCl2:0.05,Na2MoO4:0.01,Mg-SO4:0 ~0.05,NiCl2·6H2O:0.01。

      1.3 單因素實(shí)驗(yàn)

      利用單因素實(shí)驗(yàn)方法考察厭氧活性污泥熱處理溫度和時(shí)間、發(fā)酵液初始 pH值及和Mg2+濃度對發(fā)酵產(chǎn)氫的影響。氫氣產(chǎn)率定義為1 mol葡萄糖所對應(yīng)的氫氣的物質(zhì)的量,mol/mol。

      在考察某一影響因素時(shí),其他因素的設(shè)定值分別為:熱處理溫度90℃、熱處理時(shí)間20 min、初始pH值: 8.0、 (NH4)2SO4、FeSO4和 MgSO4的濃度為2.00、0.20和0.01 g/L。在每一組單因素實(shí)驗(yàn)中,在保持其他因素取值不變的情況下改變所研究變量的取值。

      在250 mL錐形瓶中加入15 g熱處理過的厭氧活性污泥作為混合菌種和200 mL模擬廢水作為發(fā)酵底物,在調(diào)節(jié)發(fā)酵液初始pH值后用N2排除錐形瓶中的空氣,以形成厭氧環(huán)境,然后用膠塞密封錐形瓶口并置于35℃的恒溫水浴振蕩器中進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫,通過橡膠管將產(chǎn)生的氣體導(dǎo)入進(jìn)鋁箔氣袋中。進(jìn)行3組平行試驗(yàn)以降低實(shí)驗(yàn)誤差。

      1.4 檢測方法

      厭氧發(fā)酵產(chǎn)生氣體的組成通過Perkin Elmer XL型號的氣相色譜儀進(jìn)行檢測,配備熱導(dǎo)池檢測器,不銹鋼色譜柱柱長2.0 m,直徑3 mm,填充TDX-01(80/100目);進(jìn)樣口溫度、柱溫、檢測器溫度分別為80、170和170℃;氮?dú)庾鬏d氣,氣速25 mL/min。液相末端發(fā)酵產(chǎn)物(VFAs)的含量通過Shimadzu型氣相色譜儀進(jìn)行測定,氫火焰檢測器,使用FFAP極性柱,柱長30 m,直徑0.32 mm;進(jìn)樣口和檢測器溫度均為250℃;采用程序升溫:最初50℃保持2 min,然后以5℃/min的升溫速率升至200℃,最后在200℃保持10 min。采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法測量厭氧活性污泥懸浮固體(SS)和揮發(fā)性懸浮固體(VSS)[13]。使用pHS-3C型酸度計(jì)測量發(fā)酵液末態(tài)pH值。產(chǎn)出的氣體收集到鋁箔材料的集氣袋中,通過排水法測量氣體體積,然后再換算成標(biāo)準(zhǔn)體積。

      2 結(jié)果與討論

      2.1 污泥熱處理溫度和時(shí)間對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響

      對活性污泥進(jìn)行加熱處理,以抑制或殺死非產(chǎn)氫菌和耗氫菌,而產(chǎn)氫菌(梭菌、革蘭氏陽性菌、芽孢桿菌和棒桿菌等)能形成芽孢從而活性不受影響[14-16]。

      在研究熱處理溫度對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響時(shí),在70~100℃間每增長5℃設(shè)置考察點(diǎn),其他影響因素分別設(shè)定為:熱處理時(shí)間20 min、初始pH值為8.0、 (NH4)2SO4、FeSO4和 MgSO4的濃度為 2.00、0.20和0.01 g/L(在研究其他影響因素時(shí),熱處理溫度設(shè)定為90℃)。

      從圖1可以看出,在熱處理溫度90℃下,氫氣體積達(dá)到最大值570.2 mL,1 mol葡萄糖可產(chǎn)1.85 mol的氫氣。在產(chǎn)生的氣體中未檢測到甲烷氣體,說明熱處理方式有效地抑制了甲烷菌活性。隨著熱處理溫度升高,氫氣產(chǎn)量呈下降趨勢。這與文獻(xiàn)報(bào)道的最適宜熱處理溫度范圍80~95℃一致[17-18]。

      圖1 熱處理溫度對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響Fig.1 Perform ance of hyd rogen p roduction from glucose at different preheating tem peratu res

      圖2 熱處理時(shí)間對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響Fig.2 Perform ance of hyd rogen p roduction from glucose with different p reheating duration

      由圖2可見,在90℃下對厭氧活性污泥進(jìn)行40 min的熱處理,得到最大的產(chǎn)氫效率。而太長的熱處理時(shí)間造成產(chǎn)氫量的下降,當(dāng)處理時(shí)長達(dá)到100 min后,氫氣產(chǎn)量下降33%??赡苁怯捎跓崽幚頊囟冗^高或時(shí)間過長會對活性污泥造成熱損傷,不利于發(fā)酵產(chǎn)氫。

      2.2 發(fā)酵液初始pH值對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響

      發(fā)酵液初始pH值會影響微生物菌群組成和厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫菌的代謝途徑。從圖3可以看出在初始pH值8.0的條件下,氫氣體積、產(chǎn)率和體積分?jǐn)?shù)達(dá)到639.6 mL、2.14 mol/mol和0.777的最高值??赡苁且?yàn)槿鯄A性條件可以在一定程度上中和酸性代謝產(chǎn)物(乙酸、丙酸和丁酸等揮發(fā)性脂肪酸),減少其通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)的量,從而降低對微生物生長的抑制作用,最終提升產(chǎn)氫效率[19]。Bow les等發(fā)現(xiàn),當(dāng)發(fā)酵液pH值降至5.0以下后,發(fā)酵產(chǎn)氫基本停止[20],而吳小兵等[21]指出中性的pH值環(huán)境下有利于厭氧產(chǎn)氫菌保持高活性進(jìn)行糖化和厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的反應(yīng)過程。主要是因?yàn)閰捬醢l(fā)酵產(chǎn)氫過程所使用的菌種、發(fā)酵底物、操作參數(shù)的不同導(dǎo)致最適的初始pH值存在一定的差異。

      圖3 發(fā)酵液初始pH值對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響Fig.3 Perform ance of hydrogen p roduction from glucose with d ifferent initial pH values

      2.3 NH+4濃度對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響

      氮元素是微生物固氮酶和產(chǎn)氫酶的重要組成元素,本研究使用(NH4)2SO4作為無機(jī)氮源,考察了不同濃度(NH4)2SO4加入量對厭氧活性污泥中菌群代謝活性和厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫能力的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

      圖4 濃度對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響Fig.4 Performance of hydrogen production from glucose with different concentrations of(NH 4)2 SO 4

      2.4 Fe2+濃度對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響

      相比無添加 FeSO4,當(dāng)加入0.10 g/L的 FeSO4時(shí)得到的氫氣產(chǎn)率提升了35%,主要是因?yàn)椋汗痰复呋倪€原反應(yīng)必須要有鉬鐵蛋白、鐵蛋白等作為電子轉(zhuǎn)移的載體;氫酶的主要成分是鐵硫蛋白,F(xiàn)e2+是產(chǎn)氫酶必不可少的組成元素。因此,F(xiàn)e2+的加入有助于提升微生物厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效率。但隨著Fe2+濃度的繼續(xù)增大,產(chǎn)氫效率出現(xiàn)下降趨勢,有文獻(xiàn)證明過高的Fe2+會抑制氫酶活性[22],因此圖5中FeSO4濃度達(dá)到0.10 g/L后,產(chǎn)氫量大幅下降。楊海軍[23]的研究結(jié)果認(rèn)為0.15 g/L的FeSO4濃度是最適合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫菌進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氫的濃度,得到最大產(chǎn)氫體積225 mL,但過多的Fe2+會在一定程度上抑制發(fā)酵產(chǎn)氫。因此只有在適宜Fe2+濃度下才能促進(jìn)發(fā)酵產(chǎn)氫,利于產(chǎn)氫菌的生長代謝,提高產(chǎn)氫速率和產(chǎn)氫量。

      圖5 Fe2+濃度對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響Fig.5 Performance of hydrogen production from glucose with different concentrations of FeSO 4

      2.5 Mg2+濃度對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響

      從圖6可以看出,0.03 g/L的MgSO4是最適宜的濃度點(diǎn),得到的最大的氫氣體積(574.18 mL)、最大產(chǎn)氫效率(2.35 mol/mol)以及最高氫氣體積分?jǐn)?shù)(0.822)分別比最小值高出 37.5%、46.7%和16.4%。當(dāng)MgSO4濃度小于0.03 g/L時(shí),產(chǎn)氫量處于較低水平,可能是由于發(fā)酵液中低濃度的鎂離子不足以提供微生物細(xì)胞膜、細(xì)胞壁等的合成,從而降低了厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫菌群的生長,所以其產(chǎn)氫能力較低;當(dāng)MgSO4濃度過高,超過0.03 g/L時(shí),出現(xiàn)了產(chǎn)氫量、產(chǎn)氫效率以及氫氣濃度下降的趨勢,推測可能的原因是糖酵解酶被高濃度的鎂離子抑制了代謝活性,進(jìn)而影響了厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫菌的產(chǎn)氫能力。

      2.6 最適宜條件下的產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)

      圖6 Mg2+濃度對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響Fig.6 Perform ance of hyd rogen p roduction from glucose with different concentrations of MgSO 4

      通過單因素實(shí)驗(yàn)對各主要影響因素的研究,可以得到厭氧活性污泥利用葡萄糖作為發(fā)酵底物進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氫的最適宜條件為:污泥在90℃下熱處理40 min,調(diào)節(jié)發(fā)酵液初始 pH值至8.0,加入 3.00、0.10 和 0.03 g/L的(NH4)2SO4、FeSO4和 MgSO4。

      在該條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。可以將產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)過程分為3個(gè)階段:在最初的8 h內(nèi),氫氣產(chǎn)量較低,微生物處于適應(yīng)生長代謝環(huán)境階段,而在8~12 h內(nèi)迅速上升,產(chǎn)氫菌處于高活性期,在實(shí)驗(yàn)?zāi)┢诘? h內(nèi)產(chǎn)氫量出現(xiàn)大幅下降,可能是由于發(fā)酵液pH值降至酸性范圍內(nèi)[20]、各種無機(jī)元素含量下降等造成產(chǎn)氫環(huán)境不再適宜微生物進(jìn)行代謝產(chǎn)氫。

      圖7 最適宜條件下厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Resu lts of anaerobic ferm entation hyd rogen p roduction under the op tim al conditions

      在該條件下得到較高純度(體積分?jǐn)?shù)0.80)的氫氣630 mL,氫氣產(chǎn)率為 2.62 mol/mol(圖 7),比單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果中最高的氫氣產(chǎn)率2.41 mol/mol提高了8.7%,氫氣體積分?jǐn)?shù)提升到0.80,比張茂林等[24]使用活性污泥進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)得到的氫氣體積分?jǐn)?shù)最大值0.56高30%。因此通過本實(shí)驗(yàn)達(dá)到了提高氫氣產(chǎn)率和氫氣體積分?jǐn)?shù)、優(yōu)化產(chǎn)氫條件的目的。

      3 結(jié)論

      通過單因素實(shí)驗(yàn)對發(fā)酵產(chǎn)氫的主要影響因素進(jìn)行考察并總結(jié)出最適宜的產(chǎn)氫條件為:厭氧活性污泥熱處理溫度90℃,熱處理時(shí)間40 min,發(fā)酵液初始 pH值 8.0,(NH4)2SO43.00 g/L、FeSO40.10 g/L、MgSO40.03 g/L。在該最適宜條件下進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn),氫氣產(chǎn)率為2.62 mol/mol,比單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果中最高的氫氣產(chǎn)率2.41 mol/mol提高了8.7%,氫氣體積分?jǐn)?shù)高達(dá)0.80,說明通過本文的研究優(yōu)化厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫條件、提升了產(chǎn)氫效率和氫氣純度,是一種較為高效的制氫方法,具有良好的應(yīng)用前景。

      參考文獻(xiàn):

      [1] Show K,Lee D,Chang J.Bioreactor and process design for biohydrogen production[J].Bioresource Technology,2011,102(18): 8 524-8 533

      [2] 任南琪,宮曼麗,邢德峰.連續(xù)流生物制氫反應(yīng)器乙醇型發(fā)酵的運(yùn)行特性[J].環(huán)境科學(xué),2004(6): 113-116 Ren Nanqi,Gong Manli,Xing Defeng.Continuous operation of hydrogen bio-production reactor with ethanoltype fermentation[J].Environmental Science,2004(6): 113-116(in Chinese)

      [3] Wu X,Li Q,Dieudonne M,et al.Enhanced H2gas production from bagasse using adhE inactivated Klebsiella oxytoca HP1 by sequential dark-photo fermentations[J].Bioresource Technology,2010,101 (24):9 605-9 611

      [4] Skonieczny M T,Yargeau V.Biohydrogen production from wastewater by Clostridium beijerinckii:Effect of pH and substrate concentration[J].International Journal of Hydrogen Energy,2009,34(8): 3 288-3 294

      [5] Bisaillon A,Turcot J,Hallenbeck P C.The effect of nutrient limitation on hydrogen production by batch cultures of Escherichia coli[J].International Journal of Hydrogen Energy,2006,31(11): 1 504-1 508

      [6] Yang H,Shen J.Effect of ferrous iron concentration on anaerobic bio-hydrogen production from soluble starch[J].International Journal of Hydrogen Energy,2006,31(15): 2 137-2 146

      [7] Salerno M B,Park W,Zuo Y,et al.Inhibition of biohydrogen production by ammonia[J].Water Research,2006,40(6): 1 167-1 172

      [8] Zhang Y,Liu G,Shen J.Hydrogen production in batch culture ofmixed bacteria with sucrose under different iron concentrations[J].International Journal of Hydrogen Energy,2005,30(8): 855-860

      [9] Liu B,Ren N,Ding J,et al.The effect of Ni2+,F(xiàn)e2+and Mg2+concentration on photo-hydrogen production by Rhodopseudomonas faecalis RLD-53[J].International Journal of Hydrogen Energy,2009,34(2): 721-726

      [10] Wang J,Wan W.Factors influencing fermentative hydrogen production:A review[J].International Journal of Hydrogen Energy,2009,34(2): 799-811

      [11] Li C,F(xiàn)ang H.Fermentative hydrogen production from wastewater and solid wastes by m ixed cultures[J].Critical Reviews in Environmental Science and Technology,2007,37(1): 1-39

      [12] Sreela-Or C,Imai T,Plangklang P,et al.Optimization of key factors affecting hydrogen production from food waste by anaerobic mixed cultures[J].International Journal of Hydrogen Energy,2011,36(21): 14 120-14 133

      [13] 國家環(huán)保局.水與廢水分析監(jiān)測方法[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002

      [14] Mohammadi P,Ibrahim S,Mohamad A M S,et al.Effects of different pretreatment methods on anaerobic mixed microflora for hydrogen production and COD reduction from palm oil mill effluent[J].Journal of Cleaner Production,2011,19(14): 1 654-1 658

      [15] Chang S,Li J,Liu F.Evaluation of different pretreatmentmethods for preparing hydrogen-producing seed inocula from waste activated sludge[J].Renewable Energy,2011,36(5): 1 517-1 522

      [16] Cheng J,Su H,Zhou J,et al.Hydrogen production by mixed bacteria through dark and photo fermentation[J].International Journal of Hydrogen Energy,2011,36(1): 450-457

      [17] Wang Y,Ai P,Hu C,et al.Effects of various pretreatmentmethods of anaerobic mixed microflora on biohydrogen production and the fermentation pathway of glucose[J].International Journal of Hydrogen Energy,2011,36(1): 390-396

      [18] Argun H,Kargi F.Effects of sludge pre-treatmentmethod on bio-hydrogen production by dark fermentation of waste ground wheat[J].International Journal of Hydrogen Energy,2009,34(20): 8 543-8 548

      [19] Fangkum A,Reungsang A.Biohydrogen production from sugarcane bagasse hydrolysate by elephant dung:Effects of initial pH and substrate concentration[J].International Journal of Hydrogen Energy,2011,36(14):8 687-8 696

      [20] Bow les L K,Ellefson W L.Effects of butanol on Clostridium acetobutylicum[J].Applied and Environ mental M icrobiology,1985,50(5): 1 165-1 170

      [21] Wu X,Li Q,Dieudonne M,et al.Enhanced H2gas production from bagasse using adhE inactivated Klebsiella oxytoca HP1 by sequential dark-photo fermentations[J].Bioresource Technology,2010,101 (24):9 605-9 611

      [22] Wang J,Wan W.Effect of Fe2+concentration on fermentative hydrogen production by mixed cultures[J].International Journal of Hydrogen Energy,2008,33(4): 1 215-1 220

      [23] Yang H,Shen J.Effect of ferrous iron concentration on anaerobic bio-hydrogen production from soluble starch[J].International Journal of Hydrogen Energy,2006,31(15): 2 137-2 146

      [24] Zhang mL,F(xiàn)an Y T,Xing Y,et al.Enhanced biohydrogen production from cornstalk wastes with acidification pretreatment by mixed anaerobic cultures[J].Biomass and Bioenergy,2007,31(4):250-254

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