1 引言

　　在厭氧生物制氫系統(tǒng)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)酵類型，而不同的發(fā)酵類型能夠產(chǎn)生不同的代謝產(chǎn)物，其氫氣產(chǎn)率也存在著差異，連續(xù)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(yīng)器的發(fā)酵類型控制在丁酸型發(fā)酵上，并獲得了較高的產(chǎn)氫效能.而乙醇型發(fā)酵產(chǎn)氫類型自1995年被發(fā)現(xiàn)以來，只有少數(shù)幾個研究團隊進行了研究和報道，同時，任南琪，李建政和邢德峰等的研究結(jié)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(yīng)器的最佳適宜控制類型.然而，值得注意的是，他們的研究均僅比較了反應(yīng)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，其生長代謝能力在不同的有機負荷條件存在差異，厭氧制氫系統(tǒng)內(nèi)的微生物菌群會隨著有機負荷的改變發(fā)生演替，形成不同的頂級微生物群落結(jié)構(gòu)，進而表現(xiàn)出不同的產(chǎn)氫效能.所以，當乙醇型發(fā)酵反應(yīng)器在某一有機負荷下具有最佳的產(chǎn)氫效能時，丁酸型發(fā)酵未必也能同時在該有機負荷下表現(xiàn)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)氫能力進行系統(tǒng)的對比分析，以探索不同發(fā)酵類型呈現(xiàn)最佳產(chǎn)氫性能時的適宜控制參數(shù).

　　HRT不僅能影響反應(yīng)器的水力流態(tài)和傳質(zhì)效率，還能影響系統(tǒng)內(nèi)活性污泥的活性，所以，HRT作為有機負荷的重要調(diào)控手段，對厭氧反應(yīng)器的控制至關(guān)重要.HRT的縮短不僅會將代時較長的發(fā)酵產(chǎn)酸或產(chǎn)氫微生物從系統(tǒng)中淘汰出去，而影響系統(tǒng)運行性能，同時還會對系統(tǒng)造成負荷沖擊，甚至引起系統(tǒng)內(nèi)厭氧活性污泥流失，導(dǎo)致厭氧系統(tǒng)崩潰.為此，本文以連續(xù)流厭氧生物制氫反應(yīng)器的運行為基礎(chǔ)，系統(tǒng)比較了ACR丁酸型和乙醇型發(fā)酵制氫系統(tǒng)在不同HRT條件下的運行特性，以為制氫反應(yīng)器運行控制提供技術(shù)參數(shù).

　　2 材料和方法

　　2.1 實驗裝置

　　研究采用的ACR參照發(fā)明專利“厭氧接觸式產(chǎn)酸發(fā)酵制氫反應(yīng)器”(ZL 200710144460.1)設(shè)計(李建政和昌盛，2008)，制氫反應(yīng)器的有效反應(yīng)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(yīng)器外壁上的方式加熱保溫，并通過溫控儀將反應(yīng)系統(tǒng)的溫度控制在(35±1)℃.

　　圖1 ACR發(fā)酵制氫反應(yīng)器示意圖

　　2.2 廢水與接種污泥

　　實驗廢水采用甜菜制糖廠的廢糖蜜加水稀釋而成.在配制廢水時，投加一定量的農(nóng)用復(fù)合肥，使廢水中的 C、N、P 的質(zhì)量比保持在(200~500)∶ 5 ∶ 1左右，以保證污泥在生長過程中對 N、P 營養(yǎng)元素的需求.糖蜜、復(fù)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(yīng)系統(tǒng)的運行控制

　　接種污泥取自城市污水廠的剩余污泥，經(jīng)淘洗、過濾后分別接種于兩套相同的ACR系統(tǒng)中，污泥接種量均為3.58 g MLVSS · L-1.兩套反應(yīng)器除了系統(tǒng)控制的pH條件存在差異外，其它運行條件完全相同.反應(yīng)器在進水COD 5000 mg · L-1，HRT為12 h下啟動，通過向進水中添加小蘇打的方式分別將兩套制氫系統(tǒng)的pH控制在4.5~5.0、5.5~6.0間，經(jīng)過運行并達穩(wěn)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(tǒng)的影響.在每次調(diào)節(jié)系統(tǒng)HRT前，系統(tǒng)均穩(wěn)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(guī)監(jiān)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(yīng)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(nèi)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 實驗結(jié)果與討論

　　3.1 HRT對乙醇型發(fā)酵制氫系統(tǒng)的影響

　　3.1.1 產(chǎn)氫速率

　　圖 2展現(xiàn)了ACR乙醇型發(fā)酵反應(yīng)器在不同HRT下的產(chǎn)氣情況.結(jié)果顯示，隨著HRT的減小，系統(tǒng)的產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氫速率均呈現(xiàn)上升趨勢.HRT的縮短使得反應(yīng)器內(nèi)微生物在單位時間內(nèi)可利用的營養(yǎng)基質(zhì)增加，其代謝產(chǎn)物的絕對質(zhì)量也增加，因而，反應(yīng)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，ACR乙醇型發(fā)酵制氫系統(tǒng)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，而氫氣含量僅由HRT=12 h的38.1%上升到HRT=8 h時 的48.1%后，不再隨HRT的進一步降低而增加，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).以上的變化特征說明HRT由12 h縮短到8 h時，反應(yīng)器內(nèi)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(yīng)器在首次遭受沖擊負荷(HRT由12 h調(diào)為8 h的階段)后，反應(yīng)器內(nèi)存活的微生物種群活性較強，反應(yīng)器的抗沖擊負荷能力得到增強，系統(tǒng)內(nèi)的微生物群落結(jié)構(gòu)也較為穩(wěn)定，所以，在HRT由8 h縮短到4 h的運行過程中，反應(yīng)器的氫氣含量基本不變.以上結(jié)果表明，ACR乙醇型發(fā)酵系統(tǒng)在HRT=4 h時，表現(xiàn)出最大的產(chǎn)氫速率.而根據(jù)任南琪等的研究(Ren et al., 2006)，一體化CSTR發(fā)酵制氫反應(yīng)器在HRT=4 h時，系統(tǒng)污泥流失，反應(yīng)器難以穩(wěn)定運行，這表明ACR發(fā)酵制氫反應(yīng)工藝較CSTR具有更好的應(yīng)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)氫微生物的生長動力學(xué)特征存在差異，厭氧反應(yīng)器內(nèi)微生物群落和代謝特性將能隨著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(jié)果也都證明，HRT的改變引發(fā)了系統(tǒng)內(nèi)的微生物種群演替，進而影響了系統(tǒng)的產(chǎn)氫性能(Wu et al., 2008; Li et al., 2010).本文的研究也得到了類似的結(jié)果.ACR發(fā)酵制氫系統(tǒng)在不同HRT下，反應(yīng)器出水中的溶解性代謝產(chǎn)物組分也存在著差異(圖 3).由圖 3可見，當HRT由12 h縮短到6 h時，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進一步降低到4 h時，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(yīng)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)氫微生物進行了篩選，其代謝活性較強的產(chǎn)氫微生物在制氫系統(tǒng)內(nèi)得以保留下來，因而其乙醇含量隨HRT縮短而增加，而當HRT縮短到4 h時，系統(tǒng)可能因?qū)Φ孜镛D(zhuǎn)化率有所減小而導(dǎo)致乙醇含量下降.如前所述，反應(yīng)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(xù)流反應(yīng)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(tǒng)內(nèi)存活下來的產(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(yīng)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(yīng)器的整個運行階段，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).以上實驗結(jié)果表明，ACR乙醇型發(fā)酵系統(tǒng)在HRT由12 h分步降為4 h的運行過程中，乙醇、乙酸含量總體呈現(xiàn)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，反應(yīng)器出水中乙醇和乙酸的質(zhì)量分數(shù)之和分別為78.2%、87.7%、90.6%、88.5%，即乙醇型發(fā)酵特征隨著HRT的縮短而更為明顯，這進一步說明，隨著HRT的減小，ACR系統(tǒng)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(tǒng)在較低的HRT下表現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)除產(chǎn)氣速率外，氫氣含量和產(chǎn)氫速率沒有隨HRT的縮短而呈遞增趨勢(圖 4).相反，ACR系統(tǒng)僅當HRT由12 h縮短到8 h時，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(tǒng)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ACR丁酸型發(fā)酵系統(tǒng)而言，隨著HRT的減小，系統(tǒng)中代時較長的產(chǎn)氫微生物被淘汰出去，導(dǎo)致其利用基質(zhì)進行發(fā)酵產(chǎn)氫的能力下降.ACR丁酸型發(fā)酵系統(tǒng)在HRT由8 h縮短為6 h時，系統(tǒng)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(jié)果表明，HRT對ACR丁酸型發(fā)酵和乙醇型發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)的影響不同，ACR丁酸型發(fā)酵系統(tǒng)在HRT=8 h時，表現(xiàn)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(tǒng)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，當HRT由12 h降低到8 h時，液相末端發(fā)酵產(chǎn)物各組分含量基本不變，這說明這一HRT的變化未對反應(yīng)器內(nèi)的微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響，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(guī)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(jù)各類產(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，反而會消耗氫氣(Lee and Rittmann， 2009).所以，ACR丁酸型發(fā)酵系統(tǒng)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，反應(yīng)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(jié)果表明，與乙醇型發(fā)酵系統(tǒng)相似，雖然HRT的改變也能引起ACR丁酸型發(fā)酵制氫系統(tǒng)內(nèi)的微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，但HRT的縮短使得ACR丁酸型發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)的產(chǎn)丁酸產(chǎn)氫菌群的活性或數(shù)量降低，所以，ACR丁酸型發(fā)酵系統(tǒng)在較高的HRT(8 h)下表現(xiàn)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(tǒng)內(nèi)的生物量

　　ACR乙醇型和丁酸型發(fā)酵系統(tǒng)在不同HRT下生物量的變化情況如圖 6所示.由圖可見，在各HRT條件下，乙醇型發(fā)酵系統(tǒng)中的生物量始終高于丁酸型發(fā)酵系統(tǒng)，并且隨著HRT的縮短，生物量的變化規(guī)律不同.對于乙醇型發(fā)酵系統(tǒng)而言，當HRT處于6~12 h間運行時，系統(tǒng)生物量隨HRT的減小而增加，分析認為這是因為HRT的縮短，導(dǎo)致底物營養(yǎng)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，系統(tǒng)生物量有微弱降低趨勢，ACR乙醇型發(fā)酵制氫系統(tǒng)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)氫微生物代時較長，從系統(tǒng)中淘汰出去所致.然而，對于丁酸型發(fā)酵系統(tǒng)而言，當HRT降低到8 h后，系統(tǒng)內(nèi)的生物量隨著HRT的減小而降低，這表明丁酸型發(fā)酵系統(tǒng)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(tǒng)HRT進一步縮短時，其被淘汰出系統(tǒng)，在HRT=4 h時，ACR丁酸型發(fā)酵系統(tǒng)中的生物量僅為3.47 g · L-1，進而使得發(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(jié)果表明，在ACR發(fā)酵型反應(yīng)器內(nèi)，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，進而維持制氫反應(yīng)系統(tǒng)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(tǒng)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(jù)上述實驗結(jié)果，ACR乙醇型發(fā)酵制氫系統(tǒng)在HRT=4 h時，系統(tǒng)產(chǎn)氫速率最大，而ACR丁酸型發(fā)酵系統(tǒng)在HRT=8 h時，獲得的產(chǎn)氫速率最大.為了系統(tǒng)比較ACR乙醇型發(fā)酵和丁酸型發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)在各HRT條件下的產(chǎn)氫效能，對系統(tǒng)單位基質(zhì)的氫氣轉(zhuǎn)化率和污泥比產(chǎn)氫速率也進行了比較(表 1).從反應(yīng)器各階段對廢水中糖類的轉(zhuǎn)化率來看，當ACR系統(tǒng)在HRT控制為12 h、8 h時，乙醇型發(fā)酵型和丁酸型發(fā)酵對糖類的轉(zhuǎn)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(tǒng)HRT進一步縮小到6 h、4 h時，乙醇型發(fā)酵和丁酸型發(fā)酵系統(tǒng)對糖的轉(zhuǎn)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(tǒng)相對乙醇型發(fā)酵系統(tǒng)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(tǒng)內(nèi)的生物量下降(圖 6)所致.另外，因HRT的縮短能將系統(tǒng)內(nèi)活性較低的微生物淘汰出去，在較小的HRT 控制條件下，反應(yīng)器內(nèi)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(yīng)器內(nèi)的污泥比產(chǎn)氫速率均呈現(xiàn)出隨HRT的縮小而升高的變化規(guī)律.但值得注意的是，乙醇型發(fā)酵系統(tǒng)中污泥的比產(chǎn)氫速率要高于丁酸型發(fā)酵系統(tǒng)，在HRT為12 h、8 h、6 h、4 h時，ACR乙醇型發(fā)酵和丁酸型發(fā)酵系統(tǒng)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，從基質(zhì)的氫氣轉(zhuǎn)化率來看，乙醇型發(fā)酵系統(tǒng)也要優(yōu)于丁酸型發(fā)酵系統(tǒng)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)化率是丁酸型發(fā)酵的1.5~2.2倍.綜合上述反應(yīng)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(zhuǎn)化率來看，ACR乙醇型發(fā)酵制氫系統(tǒng)的產(chǎn)氫性能明顯優(yōu)于丁酸型發(fā)酵系統(tǒng).當以糖蜜廢水為底物，在進水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(chǔ)上，ACR乙醇型和丁酸發(fā)酵制氫系統(tǒng)的HRT宜分別控制在6 h和8 h的水平.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.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(tǒng)產(chǎn)氫性能

　　4 結(jié)論

　　1)以糖蜜廢水為基質(zhì)，保持進水COD為5000 mg · L-1不變，在HRT由12 h依次降低到8 h、6 h、4 h的運行過程中，ACR乙醇型發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)氫效能始終優(yōu)于丁酸型發(fā)酵制氫系統(tǒng)，乙醇型發(fā)酵系統(tǒng)的單位基質(zhì)氫氣轉(zhuǎn)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(tǒng)而言，HRT的縮短導(dǎo)致乙醇型發(fā)酵產(chǎn)氫菌屬得到不斷富集，使得系統(tǒng)在HRT=4 h時，系統(tǒng)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(tǒng)而言，HRT的縮短使得系統(tǒng)內(nèi)生物量減小，導(dǎo)致底物的轉(zhuǎn)化率明顯下降，反應(yīng)器在HRT為8 h時，產(chǎn)氫速率最佳，為9.3 L · d-1.