曲媛媛，郭婉茜，丁 杰，任南琪

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150090，rnq@hit.edu.cn)

作為一種可替代傳統(tǒng)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(shù)以其環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究［1］.顆粒污泥產(chǎn)氫是面向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的自固定附著生長(zhǎng)型工藝，相較于傳統(tǒng)的懸浮生長(zhǎng)型工藝，其具有生物持有量高、污泥沉降性好等優(yōu)點(diǎn)，是提高連續(xù)流反應(yīng)器體積產(chǎn)氫速率的突破口［2-3］.目前，人們對(duì)厭氧污泥顆?；难芯恳呀?jīng)十分廣泛［4-6］，一些針對(duì)UASB反應(yīng)器中產(chǎn)甲烷顆粒污泥的研究發(fā)現(xiàn)，不同接種污泥中存在的物質(zhì)能夠?qū)ξ勰囝w?；倪M(jìn)程產(chǎn)生影響［7-8］.也有研究者發(fā)現(xiàn)，采用缺氧泥作為接種污泥來(lái)啟動(dòng)CSTR產(chǎn)氫發(fā)酵反應(yīng)器，啟動(dòng)時(shí)間要比采用好氧泥短［9］.而對(duì)產(chǎn)氫污泥顆?；夹g(shù)和理論的研究目前還處于初級(jí)階段，這主要是由于產(chǎn)氫細(xì)菌形成顆粒比較困難［10-12］.近年來(lái)，隨著膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應(yīng)器在生物制氫領(lǐng)域的應(yīng)用，已有研究者在特定的工程控制參數(shù)調(diào)控下，培養(yǎng)出了產(chǎn)氫顆粒污泥，并發(fā)現(xiàn)顆粒污泥產(chǎn)氫效率可比傳統(tǒng)絮狀污泥有所提高［2-3］.所以，研究EGSB系統(tǒng)產(chǎn)氫顆粒污泥的影響因素，快速培養(yǎng)具有良好產(chǎn)氫活性的顆粒污泥十分必要.然而，目前報(bào)道的產(chǎn)氫顆粒污泥主要面向丁酸型發(fā)酵的產(chǎn)氫微生物［13］，對(duì)乙醇型發(fā)酵產(chǎn)氫微生物顆粒的研究還比較缺乏.

本文采用EGSB反應(yīng)器培養(yǎng)產(chǎn)氫顆粒污泥，采用不同的接種污泥來(lái)進(jìn)行啟動(dòng)，對(duì)顆粒粒徑、系統(tǒng)產(chǎn)氫速率、液相末端發(fā)酵產(chǎn)物等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，旨在從接種污泥的角度來(lái)量化和優(yōu)化乙醇型發(fā)酵產(chǎn)氫顆粒的形成條件，為進(jìn)一步研究產(chǎn)氫顆粒污泥的快速培養(yǎng)及工程應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用兩個(gè)相同的有機(jī)玻璃制成的EGSB反應(yīng)器模型.反應(yīng)器有效容積為3.2 L，沉淀區(qū)為1.8 L.反應(yīng)器頂部設(shè)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(jì)量泵將廢水從進(jìn)水箱以恒定流量泵入反應(yīng)器內(nèi)，外循環(huán)用回流泵控制.本裝置采用將電熱線纏繞在整個(gè)反應(yīng)器外壁上的方式來(lái)加熱保溫，通過溫控儀將反應(yīng)器內(nèi)溫度控制在(35±0.5)℃.試驗(yàn)裝置如圖1所示.

1.2 試驗(yàn)廢水與接種污泥

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

試驗(yàn)采用兩種接種污泥:1號(hào)反應(yīng)器的接種污泥為哈爾濱市政污水排放溝底泥和本實(shí)驗(yàn)室正在運(yùn)行的IC反應(yīng)器內(nèi)的厭氧產(chǎn)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(zhì)量濃度(MLVSS)和混合液懸浮固體(MLSS)質(zhì)量濃度分別為6.78 g/L和10.76 g/L，接種量為1 L;2號(hào)反應(yīng)器的接種污泥為本實(shí)驗(yàn)室正在運(yùn)行的IC反應(yīng)器內(nèi)的厭氧產(chǎn)甲烷顆粒污泥，將污泥粉碎稀釋，初始MLVSS和MLSS質(zhì)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(yīng)器示意圖

1.3 反應(yīng)器啟動(dòng)與運(yùn)行

反應(yīng)器啟動(dòng)COD容積負(fù)荷為(8.0±0.5) kg/(m3·d)，水力停留時(shí)間為6 h，系統(tǒng)運(yùn)行溫度(35.0±0.5)℃.采用逐漸提高COD濃度的方式提高有機(jī)容積負(fù)荷，容積負(fù)荷從8.0 kg/(m3·d)逐漸提高到48.0 kg/(m3·d).試驗(yàn)中污泥樣品均在反應(yīng)器中段取樣口取出.

1.4 分析方法

按照美國(guó)1998年制定的APHA標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定生物量(MLSS、MLVSS)和COD［14］.pH和ORP采用pHS-25型酸度計(jì)測(cè)量.顆粒污泥的粒徑分布采用篩分法測(cè)定.

采用LML-1型濕式氣體流量計(jì)計(jì)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(dǎo)式探測(cè)器(TCD)，不銹鋼色譜填充柱長(zhǎng)2.0 m，內(nèi)徑5 mm，擔(dān)體Porapak Q(177～297 μm粒徑).由柱式加熱爐加熱，檢測(cè)器溫度150℃.以氮?dú)鉃檩d氣，流速為40 mL/min.液相末端產(chǎn)物(VFAs)組分及含量采用標(biāo)準(zhǔn)GC-122氣相色譜檢測(cè).氫火焰檢測(cè)器，不銹鋼填充柱長(zhǎng)2.0 m，內(nèi)徑5 mm，擔(dān)體為GDX-103型(0.18～0.25 mm粒徑).氣化室、填充柱和檢測(cè)室溫度分別為220，190和220℃.以氮?dú)鉃檩d氣，流速為30 mL/min［15］.

2 結(jié)果與分析

2.1 接種污泥對(duì)EGSB產(chǎn)氫的影響

圖2是采用兩種不同接種污泥進(jìn)行啟動(dòng)，產(chǎn)氫速率隨容積負(fù)荷的變化規(guī)律.可以看出，添加了污水排放溝底泥的1號(hào)反應(yīng)器運(yùn)行狀況較為平穩(wěn).從第12 d起，產(chǎn)氫呈逐漸升高的趨勢(shì).而2號(hào)反應(yīng)器的適應(yīng)期較長(zhǎng)，從第20 d起產(chǎn)氫速率才開始有明顯的上升趨勢(shì).到本組試驗(yàn)?zāi)┢冢?號(hào)反應(yīng)器的產(chǎn)氫速率達(dá)到5.05 L/(L·h)，2號(hào)反應(yīng)器的產(chǎn)氫速率為4.10 L/(L·h)，1號(hào)產(chǎn)氫速率為2號(hào)的1.23倍，而且在整個(gè)試驗(yàn)階段，1號(hào)反應(yīng)器的產(chǎn)氫速率始終高于2號(hào)反應(yīng)器.盡管在啟動(dòng)初期，兩個(gè)反應(yīng)器內(nèi)均可監(jiān)測(cè)到甲烷氣體產(chǎn)生，但隨著運(yùn)行容積負(fù)荷的增加和環(huán)境pH值迅速由7.1下降至4.3左右，產(chǎn)氫產(chǎn)酸細(xì)菌逐漸占據(jù)優(yōu)勢(shì)，兩反應(yīng)器均可以產(chǎn)氫.這也說(shuō)明用于接種的產(chǎn)甲烷顆粒污泥內(nèi)部含有大量的產(chǎn)氫產(chǎn)酸細(xì)菌.兩反應(yīng)器產(chǎn)氫能力的不同與微生物的初始種群結(jié)構(gòu)不同有關(guān)，混合了污水排放溝底泥的反應(yīng)器內(nèi)生物多樣性更為豐富，微生物活性好，傳質(zhì)效率高，保證了其高效產(chǎn)氫.

圖2 產(chǎn)氫速率隨容積負(fù)荷的變化

2.2 接種污泥對(duì)產(chǎn)氫顆粒粒徑的影響

表1和表2是兩個(gè)反應(yīng)器中顆粒污泥的粒徑分布隨運(yùn)行時(shí)間的變化.可以看出，1號(hào)反應(yīng)器在第10 d時(shí)，已經(jīng)可以觀察到絮狀污泥的聚集現(xiàn)象.與2號(hào)反應(yīng)器相比，1號(hào)反應(yīng)器可較快地形成產(chǎn)氫污泥顆粒.在第40 d取樣觀察，1號(hào)反應(yīng)器內(nèi)粒徑>1.4mm的顆粒已經(jīng)占到30%，而2號(hào)反應(yīng)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(yùn)行時(shí)間的變化(1號(hào)反應(yīng)器)

表2 顆粒污泥的粒徑分布隨運(yùn)行時(shí)間的變化(2號(hào)反應(yīng)器)

本研究中，污泥的接種量是6.5～7.0 g/L，文獻(xiàn)［16］指出，為了加快顆?；M(jìn)程，縮短反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間，接種量以5～15 g/L為宜，較大的接種量可以縮短啟動(dòng)時(shí)間.還有報(bào)道指出經(jīng)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(jìn)行接種，可以快速培養(yǎng)產(chǎn)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(chǎn)甲烷顆粒污泥粉碎后進(jìn)行產(chǎn)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(hào)平均粒徑約為2號(hào)的1.25倍.除了上述因素，1號(hào)反應(yīng)器中較高的產(chǎn)氣速率也可能是促進(jìn)顆?；^程的重要原因.

從顆粒污泥形成的幾種理論假說(shuō)分析，這種現(xiàn)象基本驗(yàn)證了Sehmidt等［6］提出的理論.他的團(tuán)隊(duì)在總結(jié)前人研究成果后提出，顆粒污泥的形成一般分為4步:(1)細(xì)菌向惰性物質(zhì)或其他菌體表面移動(dòng);(2)通過理化作用將細(xì)菌可逆地吸附在一起或者惰性物質(zhì)上;(3)通過微生物吸附物(如胞外多聚物)的作用將細(xì)菌不可逆地粘附在一起或者吸附在惰性物質(zhì)上;(4)細(xì)菌的倍增和顆粒污泥的增大.分析可知，1號(hào)反應(yīng)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(zhì)和微生物組成，而惰性物質(zhì)恰恰充當(dāng)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(chǎn)氫微生物的流失，使反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行，保障顆?；目焖龠M(jìn)行.與1號(hào)反應(yīng)器相比，2號(hào)反應(yīng)器內(nèi)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(jìn)程.這同時(shí)也說(shuō)明，污水排放溝底泥中的惰性物質(zhì)作為顆粒污泥形成初期的載體物質(zhì)，有利于顆?；^程的進(jìn)行.

2.3 接種污泥對(duì)液相末端發(fā)酵產(chǎn)物的影響

由運(yùn)行過程中液相末端產(chǎn)物的變化規(guī)律(圖3)可以看出，兩個(gè)反應(yīng)器從啟動(dòng)初期到啟動(dòng)結(jié)束經(jīng)歷了復(fù)雜的生態(tài)演替過程.1號(hào)反應(yīng)器(圖3(a))和2號(hào)反應(yīng)器(圖3(b))具有相似的產(chǎn)酸規(guī)律.啟動(dòng)初期，兩反應(yīng)器呈現(xiàn)混合酸發(fā)酵狀態(tài)，而此時(shí)乙醇產(chǎn)量比較低.隨容積負(fù)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(dòng)末期，兩個(gè)反應(yīng)器中乙醇和乙酸占總液相末端產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為85.6%和80.2%，說(shuō)明乙醇型發(fā)酵已經(jīng)形成.發(fā)酵類型的改變是微生物種群適應(yīng)環(huán)境條件進(jìn)行自身演替和調(diào)節(jié)的表現(xiàn).許多研究者認(rèn)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(rèn)為，乙醇型發(fā)酵更具優(yōu)勢(shì)，有利于產(chǎn)氫的進(jìn)行［20］.不同的接種污泥對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)的發(fā)酵類型并未產(chǎn)生影響，兩反應(yīng)器發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量有所不同.與1號(hào)反應(yīng)器相比，2號(hào)反應(yīng)器略低的發(fā)酵產(chǎn)量也是反應(yīng)器內(nèi)的微生物活性降低，并有部分微生物隨出水流失的體現(xiàn).

圖3 液相末端發(fā)酵產(chǎn)物的變化

2.4 接種污泥啟動(dòng)末期反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)的影響

表3是兩個(gè)反應(yīng)器達(dá)到乙醇型發(fā)酵時(shí)的運(yùn)行參數(shù).

表3 兩反應(yīng)器啟動(dòng)末期運(yùn)行參數(shù)

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(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量有所不同.以混合污泥接種反應(yīng)器液相末端發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量要高于以厭氧污泥接種的反應(yīng)器的，并且耐酸性更好，可在pH3.9條件下保持穩(wěn)定產(chǎn)氫，突破了Hwang等［21］認(rèn)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(yīng)用中為調(diào)節(jié)pH值而投加堿性物質(zhì)的費(fèi)用大大降低.1號(hào)反應(yīng)器內(nèi)揮發(fā)性懸浮固體質(zhì)量濃度為27.2 g/L，2號(hào)反應(yīng)器內(nèi)為24.1 g/L，前者為后者的1.13倍，說(shuō)明1號(hào)反應(yīng)器的顆?；M(jìn)程更好.保持具有較高產(chǎn)氫活性的生物量是生物制氫反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行和高效產(chǎn)氫的關(guān)鍵.

3 結(jié)論

1)采用缺氧污泥混合厭氧污泥進(jìn)行接種的反應(yīng)器可快速形成顆粒污泥并產(chǎn)氫，在整個(gè)啟動(dòng)過程中產(chǎn)氫速率始終高于厭氧接種的反應(yīng)器.在啟動(dòng)末期，混合污泥接種的反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥的平均粒徑為厭氧污泥反應(yīng)器顆粒污泥平均粒徑的1.25倍，產(chǎn)氫速率為1.23倍.

2)混合污泥接種的反應(yīng)器和厭氧污泥接種的反應(yīng)器均形成了乙醇型發(fā)酵.接種污泥不是產(chǎn)酸發(fā)酵類型的控制因素，但會(huì)影響液相末端發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量，兩個(gè)反應(yīng)器中乙醇和乙酸占總液相末端產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為85.6%和80.2%.混合污泥接種的反應(yīng)器具有更好的耐酸性，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)兩個(gè)反應(yīng)器內(nèi)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(yīng)器在水力停留時(shí)間為6 h，COD容積負(fù)荷由8.0 kg/(m3·d)提高到48.0 kg/(m3·d)，啟動(dòng)過程末期達(dá)到了穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，形成了平均粒徑為1.1～1.4 mm的顆粒污泥，產(chǎn)氫速率達(dá)到5.05 L/(L·h).

4)啟動(dòng)末期，混合污泥接種的反應(yīng)器內(nèi)揮發(fā)性懸浮固體質(zhì)量濃度為27.2 g/L，厭氧污泥接種的反應(yīng)器內(nèi)為24.1 g/L，前者為后者的1.13倍，說(shuō)明混合污泥接種的反應(yīng)器顆?；礁耆?

［1］HAWKES F R，HUSSY I，KYAZZE G，et al.Continuous dark fermentative hydrogen production by mesophilic microflora:Principles and progress［J］.Int J Hydrogen Energy，2007，32(2):172-184.

［2］GUO Wanqian，REN Nanqi，WANG Xiangjing，et al. Biohydrogen Production rate from ethanol-type fermentation of molasses in an expanded granular sludge bed (EGSB)reactor［J］.Int J Hydrogen Energy，2008，33 (19):4981-4988.

［3］GUO Wanqian，REN Nanqi，CHEN Zhaobo，et al.Siultaneous biohydrogen production and starch wastewater treatment in an acidogenic expanded granular sludge bed reactor by mixed culture for long-term operation［J］.Int J Hydrogen Energy，2008，33(24):7397-7404.

［4］郭養(yǎng)浩，孟春，石賢愛，等.UASB反應(yīng)器中影響污泥顆粒化的工程因素［J］.生物工程學(xué)報(bào)，1997，13 (1):76-82.

［5］劉雙江，胡紀(jì)萃，顧夏聲.厭氧顆粒污泥形成過程的微生物研究［J］.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，1992，12(6):405-409.

［6］SCHMIDT J E，AHRING B K.Granular sludge formation in upflow anaerobic sludge blanket(UASB)reactors［J］.Biotechnol Bioeng，1996，49(3):229-246.

［7］HULSHOFF POL L W.The phenomenon of granulation of anaerobic sludge［D］.Vageningen:Agriculture University of Vageningen，1989.

［8］IMAI T，UKITA M，LIU Jun，et al.Advanced start up of UASB reactors by adding of water absorbing polymer［J］.Water Science Technol，1997，36(6/7):399-406.

［9］劉敏.產(chǎn)氫-產(chǎn)甲烷兩相厭氧工藝運(yùn)行特性研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，市政環(huán)境工程學(xué)院，2004.

［10］FANG H H P，LIU Hong，ZHANG Tong.Characterization of a hydrogen-production granular sludge［J］.Biotechnol Bioeng，2002，78(1):44-52.

［11］MU Yang，YU Hanqing.Biological hydrogen production in a UASB reactor with granulars I:Physicochemical characteristics of hydrogen-producinggranules［J］. Biothechnol Bioeng，2006，94(5):980-987.

［12］YU Hanqing，MU Yang.Biological hydrogen production in a UASB reactor with granulars II:Reactor performance in 3-year operation［J］.Biothechnol Bioeng，2006，94(5):988-995.

［13］ZHANG Zhenpeng，SHOW K Y，TAY J H，et al.Rapid formation of hydrogen-producing granules in an anaerobic continuous stirred tank reactor induced by acid incubation［J］.Biotechnol Bioeng，2007，96(6):1040-1050.

［14］American Public Health Association，American Water Works Association，Water Environment Federation. Standards Methods for the Examination of Water and Wastewater 20th Edition［M］.Baltimore:United Book Press，Inc，1998.

［15］任南琪，王寶貞.有機(jī)廢水發(fā)酵法生物制氫技術(shù)——原理與方法［M］.哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1994.

［16］SPEECE R E.工業(yè)廢水的厭氧生物技術(shù)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.

［17］MORVAI L，MIHALTZ P，CZAKO L.The kinetic basis of a new start-up method to ensure the rapid granulation of anaerobic sludge［J］.Water Science Technol，1992，25(7):113-122.

［18］MIZUNO O，DINSDALE R，HAWKES F R，et al.Enhancement of hydrogen production from Glucose by Nitrogen Gas Sparging［J］.Bioresource Technology，2000，73(1):59-65.

［19］WU Shu-yii，LIN Chi-num，CHANG Jo-shu.Hydrogen production with immobilized sewage sludge in threephase fluidized-bed bioreactors［J］.Biotechnol Prog，2003:19(3):828-832.

［20］REN Nan-qi，WANG Bao-zhen，HUANG Ju-cang.Ethanol-type fermentation from carbohydrate in high rate acidogenic reactor［J］.Biotechnol Bioeng，1997，54 (5):428-433.

［21］HWANG M H，JIANG N J，HYUN S H，et al.Anaerobic biohydrogen production from ethanol fermentation:the role of pH［J］.J Biotechnol，2004，111(3):297-309.