張露思,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)境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150090)

氫氣是清潔、高效、可再生能源,也是化石燃料的理想替代品之一.生物制氫具有回收能源和凈化環(huán)境的雙重功效.發(fā)酵法生物制氫技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素是進(jìn)一步提高反應(yīng)器系統(tǒng)的產(chǎn)氫能力,降低生產(chǎn)成本.EGSB作為一種高效厭氧生物反應(yīng)器,在世界范圍內(nèi)被大量應(yīng)用并且運轉(zhuǎn)非常成功[1-2].顆粒化過程是一個多階段過程,取決于廢水組成、操作條件等因素.在顆粒型生物制氫系統(tǒng)中,產(chǎn)氫顆粒污泥的快速培養(yǎng)及良好的沉淀性能和較高的生物持有量是反映其快速啟動和穩(wěn)定運行的關(guān)鍵[3].因此對EGSB反應(yīng)器中產(chǎn)氫顆粒污泥形成過程、產(chǎn)氫特性進(jìn)行研究,無疑將對該反應(yīng)器的工業(yè)應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ).許多研究表明[4-5],加入惰性細(xì)微顆粒如活性炭,高爐粒狀爐渣(d﹤ 0.1 mm),可大大加快顆粒形成速度,明顯縮短啟動時間.為了研究惰性載體的添加對產(chǎn)氫污泥顆?；M(jìn)程的影響,本文對活性炭載體對顆粒污泥形成的影響進(jìn)行了對比試驗研究.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗采用由有機玻璃制成的連續(xù)流 EGSB反應(yīng)器[6],見圖1.反應(yīng)器的總體積為 7.5 L;有效容積為3.2 L.采用電線纏繞在反應(yīng)器上的加熱方式,試驗溫度控制在 35±1℃.內(nèi)循環(huán)由另一個循環(huán)泵來控制.膨脹率控制在 10%～15%.本試驗采用 2組平行的 EGSB反應(yīng)器同時啟動,控制參數(shù)相同.試驗采用連續(xù)流運行方式.啟動初期進(jìn)水 COD為 2 000±100mg/L.控制 HRT為 6.0±0.2 h,初始容積負(fù)荷保持在 5±0.5 kg/(m3?d),膨脹速率為 10%～15%.本試驗中進(jìn)水 pH值未進(jìn)行人工調(diào)節(jié).

圖1 EGSB生物制氫反應(yīng)器Fig.1 EGSB Hydrogen bio-producing

1.2 填料和接種污泥

2個反應(yīng)器中的污泥均取自哈爾濱市政污水排放溝底泥,其 VSS和 TSS分別為 16.0±1.0 g/L和20.0±0.5 g/L,接種量為 1 L.所有污泥經(jīng)淘洗后以糖蜜為底物曝氣培養(yǎng) 2周.

本試驗采用粉末活性炭作為晶核載體,直徑為0.05～0.1mm.粉末活性炭的物理特性如下(供貨商提供)：真密度 =1 420 g/L;比表面積 =1 650～1 800m2/g;堆積密度 =650～700 g/L(海南文昌瓊池活性炭有限公司).反應(yīng)器Ⅰ添加粉末活性炭質(zhì)量為 100 g,約占反應(yīng)器有效容積的 2.1%;反應(yīng)器Ⅱ不添加任何載體.

1.3 試驗用底物

試驗底物采用甜菜制糖廠的廢糖蜜,人工配制成糖蜜廢水作為底物連續(xù)進(jìn)水,在糖蜜廢水配制過程中投加少量 N和 P,使其與 COD濃度比例保持COD∶N∶P≈1 000∶5∶1.

1.4 分析方法

生物量：取樣,用蒸餾水清洗附有生物膜的活性炭載體,然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法測定其 VSS及 SS,然后根據(jù)取樣測定后載體質(zhì)量與實驗中總體投加載體質(zhì)量進(jìn)行相關(guān)換算,最終得到體系中生物膜的生物量[7-8].

COD：重鉻酸鉀法(密封法).

pH值和 ORP：pHS-25型酸度計測量.

有機酸組成及含量：采用氣相色譜儀(GC-122型)分析,氣相色譜分析條件為色譜配置 2 m×φ5mm不銹鋼螺旋柱,內(nèi)裝 2%H3PO4處理過的GDX-103擔(dān)體 (60 ～ 80目 ),載氣 (氮氣 )流量50mL/min,燃?xì)?(氫氣)流量 50 mL/min,助燃?xì)?空氣)流量 500 mL/min,柱溫 190℃,汽化室溫度220℃,檢測溫度 220℃.測定前樣品預(yù)處理：水樣經(jīng)離心或用普通定性濾紙過濾后,取 5 mL,同時加入6mol/L的 HCl或 H2SO41～2滴進(jìn)行酯化處理[9].

掃描電鏡(SEM)：取材及固定,將菌樣 5 000 g離心后,吸去上清液后,用 1倍 PBS洗一次,之后再用 5 000 g離心,吸去上清液,向沉淀中加入 2.5%,pH=6.8的戊二醛固定并置于冰箱中固定 1.5 h.沖洗,用 pH為 6.8的,0.1mol/L磷酸緩沖溶液沖洗 3次,每次 10 min.脫水,分別用濃度為 50%、70%、80%、90%的乙醇進(jìn)行脫水,每次 10～15 min,再用100%的乙醇脫水 3次,每次 10～15 min.置換,100%乙醇：乙酸異戊酯 =1∶1;純乙酸異戊酯各一次,每次 15min.用 HCP-2(HITACHI)型臨界點干燥儀對樣品進(jìn)行干燥.粘樣,將樣品觀察面向上粘貼在掃描電鏡樣品臺上.噴金,用 IB-5(Giko)型離子濺射鍍膜儀在樣品表面鍍上一層 1 500 nm的金屬膜.掃描電鏡(日本產(chǎn) JSM-5610型電鏡)下觀察樣品.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)氫顆粒污泥的比較

顆?；^程是單一分散厭氧微生物聚集生長成顆粒污泥的過程,是一個復(fù)雜而且持續(xù)時間較長的過程.產(chǎn)酸菌和產(chǎn)氫菌在顆粒污泥內(nèi)生長、繁殖,各種細(xì)菌互營互生,菌絲交錯相互結(jié)合形成復(fù)雜的菌群結(jié)構(gòu)[10-11],增加了微生物組成的復(fù)雜性.

反應(yīng)器啟動第 30 d從兩組反應(yīng)器相同位置的取樣口取出的顆粒污泥進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖2所示,運行到第20～30 d時,污泥顏色由原來的黑灰色變?yōu)樽攸S色,2個反應(yīng)器內(nèi)都能逐漸形成顆粒污泥,隨時間延長,有機容積負(fù)荷的提高,產(chǎn)氫顆粒污泥都逐漸增大.此時,顆粒污泥馴化成熟,反應(yīng)器啟動成功.其中,反應(yīng)器Ⅰ中污泥顆粒粒徑較大,反應(yīng)器Ⅱ中污泥顆粒粒徑較小,而且反應(yīng)器Ⅰ中的顆粒污泥明顯多于反應(yīng)器Ⅱ.

圖2 反應(yīng)器Ⅰ、Ⅱ中顆粒污泥粒徑Fig.2 Diameter of granular sludge in reactorⅠ andⅡ

分析認(rèn)為,反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)氫顆粒污泥的形成經(jīng)歷了以下幾個階段：1)小顆粒污泥出現(xiàn)階段：部分絮狀污泥出現(xiàn)纏繞粘連,聚集成小顆粒;2)小顆粒污泥聚合階段：污泥中小顆粒大量出現(xiàn),能觀察并相互粘連,形成較大顆粒,可以觀察到反應(yīng)器內(nèi)的污泥聚集體上有氣泡附著,氣泡聚集,污泥聚集體在反應(yīng)器中慢慢上升,脫氣后又下沉;3)初生顆粒污泥階段：小顆粒污泥不斷長大聚集,粒徑也明顯增大(約1.2～1.4mm),產(chǎn)氫顆粒污泥沉降性能提高;4)成熟顆粒污泥階段：顆粒污泥呈團(tuán)塊狀或類球狀,粒徑大小近似一致,微生物類群趨于穩(wěn)定,顆粒污泥沉降性能良好.

一般來說,細(xì)菌與基體之間的排斥力阻礙著二者的接近,但離子強度的改變,Ca2+、Mg2+的電荷中和作用以及胞外聚合物(ECP)的作用可以降低排斥位能,促進(jìn)細(xì)菌向基體接近.細(xì)菌與基體接近后,通過細(xì)菌的附屬物或通過多聚物的粘接,將細(xì)菌粘接到基體上.隨著粘連到基體上的細(xì)菌數(shù)目的增多,形成多種微生物群系互營發(fā)生的聚集體,即具有初步代謝作用的微污泥體.微生物聚集體在適宜的條件下,各種微生物競相繁殖,最終形成沉降性能良好、產(chǎn)氫活性高的顆粒污泥.

由此可見,由于粉末活性炭晶核載體的存在,為產(chǎn)氫細(xì)菌提供了一個聚集的場所,產(chǎn)氫細(xì)菌相互聚集在一起形成具有框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)核,從而使產(chǎn)酸菌以及氫營養(yǎng)菌附著其上,然后是發(fā)酵細(xì)菌在外圍生長,最后形成適應(yīng)特定水力流態(tài)的成熟顆粒污泥.由此可證明,加入少量活性炭填料可加速污泥顆?；M(jìn)程.

2.2 產(chǎn)氫顆粒污泥的生物相觀察

圖3(a)是反應(yīng)器Ⅰ啟動末期(第 40 d)顆粒污泥的掃描電子顯微鏡照片.從照片上可以看出,顆粒污泥的微生物種類繁多,從形態(tài)上分主要是球菌、桿菌和絲狀菌,這些細(xì)菌有序而緊密地按一定層次,一定順序生存在顆粒表面,并隨運行條件不同,出現(xiàn)不同的優(yōu)勢菌群.啟動末期,反應(yīng)器Ⅰ中的微生物幾乎均為短桿菌,其長度平均只有 2～3μm,短桿菌已經(jīng)成為反應(yīng)器Ⅰ啟動末期的優(yōu)勢菌群.這與反應(yīng)器Ⅱ在啟動末期的優(yōu)勢菌群在形態(tài)上有著明顯的差別,說明這很可能是兩種完全不同的優(yōu)勢菌群.反應(yīng)器Ⅰ在啟動末期形成了典型的乙醇型發(fā)酵,從微生物掃描電鏡照片上可以觀察到乙醇型發(fā)酵的優(yōu)勢菌群主要由短桿菌組成.這也說明大量的產(chǎn)氫產(chǎn)酸細(xì)菌附著在了活性炭的內(nèi)部及表面,在經(jīng)歷了啟動期的馴化后,產(chǎn)氫產(chǎn)乙醇細(xì)菌成為反應(yīng)器Ⅰ內(nèi)的微生物頂級群落.觀察可知,以乙醇型細(xì)菌為頂級群落的產(chǎn)氫顆粒污泥,結(jié)構(gòu)緊密,生物量大,并且菌膠團(tuán)之間有明顯的通道,供底物和營養(yǎng)物質(zhì)等的運輸以及代謝產(chǎn)物(例如各種揮發(fā)酸和 H2)的排放.

圖3(b)是反應(yīng)器Ⅱ啟動末期(第 40 d)污泥的掃描電子顯微鏡照片上可以看出,未填加填料的反應(yīng)器中的顆粒污泥在啟動末期,微生物相中有大量的長桿菌和絲狀菌.雖然該次啟動在啟動末期也形成了典型的乙醇型發(fā)酵,但是產(chǎn)氫量和液相末端發(fā)酵產(chǎn)物的含量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于反應(yīng)器Ⅰ.其原因可能是由于在反應(yīng)器Ⅱ啟動末期,形成的顆粒結(jié)構(gòu)松散,難以保持較高的生物持有量.雖然乙醇型發(fā)酵細(xì)菌形成頂級群落,但并未占據(jù)完全的優(yōu)勢,系統(tǒng)中還存在著一些其它影響因素.例如長桿菌、絲狀菌等的功能地位,在今后的研究中還有待于進(jìn)一步確定.并且由于啟動初期,在特定的水力條件下,顆粒污泥形成過程中缺少晶核載體的輔助,所以可以推測,此時大量的絲狀菌和長桿菌得以生長.這些菌群的大量生長繁殖是為了適應(yīng)水力流態(tài)條件,達(dá)到快速聚集的目的.

圖3 反應(yīng)器Ⅰ、Ⅱ中顆粒污泥掃描電鏡照片(5 000倍)Fig.3 Section SEmimage of granule in ReactorⅠ andⅡ(×5 000)

2.3 活性炭對 pH值的影響

圖4是啟動階段 2個反應(yīng)器進(jìn)出水 pH值的變化情況.反應(yīng)器在穩(wěn)定運行過程中,進(jìn)水 pH值在4.6～5.8范圍內(nèi)波動,而穩(wěn)定時的出水 pH值卻表現(xiàn)出一定的差異性.

反應(yīng)器Ⅰ運行第 15 d左右,出水 pH值趨于平穩(wěn).這種平穩(wěn)狀態(tài)并未因容積負(fù)荷的提高而受到影響,兼性細(xì)菌隨著附著到活性炭表面而能夠生存下來,所以反應(yīng)器Ⅰ中微生物受到的影響不大.隨著對底物的快速酸化,產(chǎn)酸細(xì)菌的種群數(shù)量得到強化,產(chǎn)生大量揮發(fā)酸并生成堿度,因此 pH值始終保持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài).到啟動結(jié)束,出水 pH值都一直保持在 4.5左右.

圖4 反應(yīng)器ⅠⅡ進(jìn)出水pH值變化曲線Fig.4 Curve of in fluent and effluent pH value changes in reactorⅠ andⅡ

反應(yīng)器Ⅱ啟動初期,接種污泥暴露在反應(yīng)期內(nèi)的酸性環(huán)境下,重新適應(yīng)環(huán)境,從第 3 d出水 pH值開始上升,但呈現(xiàn)無規(guī)律的波動,經(jīng)過約 20 d的適應(yīng)期,反應(yīng)器的出水 pH值才趨于穩(wěn)定.但穩(wěn)定時的出水 pH值較反應(yīng)器Ⅰ的出水 pH值偏低,約在4.0～4.3之間.

2.4 活性炭對液相末端產(chǎn)物的影響

圖5 反應(yīng)器Ⅰ、Ⅱ乙醇和揮發(fā)酸變化曲線Fig.5 Curves ofethanol and volatile acids in reactorsⅠandⅡ

液相末端產(chǎn)物的變化規(guī)律可以反映出產(chǎn)氫顆粒污泥的發(fā)酵類型,因為產(chǎn)氫顆粒污泥所形成的發(fā)酵類型與頂極群落具有一定的相關(guān)性.當(dāng)產(chǎn)氫顆粒污泥形成某一穩(wěn)定的發(fā)酵類型時,總有一個種群響應(yīng)地大量繁殖并在與其他種群的生存競爭中獲得優(yōu)勢地位而成為優(yōu)勢種群,具體表現(xiàn)在數(shù)量多、活動能力強并對群落形成起控制作用.圖5給出了 2個反應(yīng)器啟動過程中液相末端產(chǎn)物的變化規(guī)律.可以看出,填加了活性炭作為填料的反應(yīng)器Ⅰ中,產(chǎn)氫產(chǎn)酸細(xì)菌能夠吸附到活性炭表面,對產(chǎn)氫產(chǎn)酸細(xì)菌起到了富集強化的作用;而未加活性炭作為填料的反應(yīng)器Ⅱ的污泥中的產(chǎn)氫產(chǎn)酸菌可能會隨著出水而流出反應(yīng)器,在反應(yīng)器內(nèi)停留時間較短,最后導(dǎo)致反應(yīng)器的產(chǎn)氫產(chǎn)酸效率降低.

2.5 活性炭對顆粒污泥產(chǎn)氫效能的比較

生物制氫反應(yīng)器以有機廢水為底物,其發(fā)酵氣體的主要成分是 H2和 CO2.圖6是 2個反應(yīng)器氫氣產(chǎn)量的變化曲線.可以看出,在啟動結(jié)束有機負(fù)荷為22 kg/(m3?d)時,反應(yīng)器 Ⅰ平均產(chǎn)氫速率是5.04 L/d,而反應(yīng)器Ⅱ平均產(chǎn)氫速率只有 2.35 L/d.分析認(rèn)為,反應(yīng)器中填加活性炭作為填料,能夠使顆粒污泥更好地適應(yīng)反應(yīng)器內(nèi)的厭氧產(chǎn)酸環(huán)境,并且能夠使產(chǎn)氫產(chǎn)酸細(xì)菌附著在活性炭表面,使之富集增強,所以在啟動末期才會出現(xiàn)反應(yīng)器Ⅰ的產(chǎn)氣速率高于反應(yīng)器Ⅱ的現(xiàn)象.

圖6 反應(yīng)器Ⅰ、Ⅱ氫氣產(chǎn)量變化曲線Fig.6 Curves ofhydrogen yield in reactorsⅠ andⅡ

3 結(jié)論

1)投加少量微粒載體,使厭氧微生物在啟動初期附著于載體晶核上,是產(chǎn)氫微生物快速顆粒化的有效手段.

2)投加少量微?；钚蕴枯d體的反應(yīng)器Ⅰ在第20 d已經(jīng)可以觀察到顆粒污泥的形成;而此時未投加任何微粒載體的反應(yīng)器Ⅱ,污泥仍然相對分散地分布于反應(yīng)器內(nèi),以絮狀污泥為主.

3)啟動末期,反應(yīng)器Ⅰ中的微生物幾乎均為短桿菌,其長度平均只有 2～3μm,短桿菌已經(jīng)成為反應(yīng)器Ⅰ啟動末期的優(yōu)勢菌群.這與反應(yīng)器Ⅱ在啟動末期的優(yōu)勢菌群在形態(tài)上有著明顯的差別,說明這很可能是兩種完全不同的優(yōu)勢菌群.

4)在啟動結(jié)束有機負(fù)荷為 22 kg/(m3?d)時,反應(yīng)器Ⅰ平均產(chǎn)氫速率是 5.04 L/d,而反應(yīng)器Ⅱ平均產(chǎn)氫速率只有 2.35 L/d,由此可見,填加活性炭填料,能夠使顆粒污泥更好地適應(yīng)反應(yīng)器內(nèi)的厭氧產(chǎn)酸環(huán)境,提高產(chǎn)氫速率.

[1]GUO Wanqian.Biohydrogen production fromethanol-type fermentation ofmolasses in an expanded granular sludgebed(EGSB)reactor[J].International Journal of Hydrogen Energy,2008,(33)：4981-4988.

[2]REN Nanqi,GOU Wanqian.Effects of different pretreatmentmethods on fermentation types and dominant bacteria for hyd rogen production[J].International Journal of Hydrogen Energy,2008(33)：4318-4324.

[3]賀延齡.廢水的厭氧生物處理[M].北京：中國輕工業(yè)出版社,1998：74-78.HE Yan ling.Study on the anaerobic biotreatmentof prednisone wastewater[M].Beijing：China Light Industry Press,1998：74-78.

[4]劉洪山.UASB厭氧廢水處理技術(shù)的開發(fā)[M].尹石祥,譯.國外環(huán)境科學(xué)與技術(shù),1993：51-54.

[5]蘇玉民,楊云龍,王增長.脈沖上流式厭氧污泥床反應(yīng)器的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué).1996,17(1)：50-53.SU Yumin,YANG Yunlong,WANG Zengchang.Pulse upflowanaerobic sludge bed reactor applications[J].Environmental Science,1996,17(1)：50-53.

[6]任南琪,郭婉茜.有機廢水發(fā)酵法生物制氫設(shè)備：中國CN 03260012.7[P].2003.

[7]國家環(huán)保局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法[S].3版.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社,1989：27-30.

[8]American Public Health Association.Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater,20th ed[S].Washington D.C：APHA,1998.

[9]任南琪.有機廢水發(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,1994：59-62.

[10]竺建榮,胡紀(jì)萃.顆粒污泥的產(chǎn)甲烷細(xì)菌及結(jié)構(gòu)模型初探[J].微生物學(xué)報.1993,33(4)：304-308.ZHU Jianrong,HU Jicui.Research of the methanogenic bacteria and structural model in the granu lar sludge[J].Acta Microbilogica Sinica,1993,33(4)：304-308.

[11]趙一章,張輝.高活性厭氧顆粒污泥微生物特征和形成機理的研究[J].微生物學(xué)報.1994,34(1)：45-54.ZHAO Yizhang.ZHANG Hui.The research of themicrobial characteristics and formation mechanismof highly active anaerobic granular sludge[J].1994,34(1)：45-54.