有机废水产酸发酵典型类型的产氢能力

通过连续流搅拌槽式反应器的运行,比较了丙酸型发酵、丁酸型发酵和乙醇型发酵等3种不同有机废水产酸发酵类型的产氢能力.在进水COD浓度为5 000 mg/L、HRT 8 h、(35±1)℃等条件下,丙酸型发酵厌氧活性污泥的比产氢速率平均仅为0.022 mol/(kgMLVSS·d);丁酸型发酵的产氢能力平均为0.57 mol/(kgMLVSS·d),是丙酸型发酵的25.79倍;乙醇型发酵厌氧活性污泥的平均比产氢速率为2.89 mol/(kgVSS·d),是丁酸型发酵的5.1倍,是丙酸型发酵的131.65倍.乙醇型发酵是有机废水发酵法生物制氢的最佳产氢发酵类型.     

有机负荷对连续流厌氧发酵产氢系统的影响

以连续流搅拌槽式反应器作为发酵生物制氢反应装置,针对有机负荷(OLR)对厌氧活性污泥发酵生物制氢系统运行的影响进行实验研究.在水力停留时间(HRT)8 h,(35±1)℃,进水COD质量浓度6000 mg/L,即OLR为18 kg/(m3.d)的条件下运行,厌氧活性污泥发酵产氢系统达到稳定时的平均产氢量为10.96 L/d,比OLR 12 kg/(m3.d)条件下提高了19.3%,比OLR 6 kg/(m3.d)条件下提高了52.3%.当进水COD质量浓度达到8000 mg/L,即OLR为24 kg/(m3.d)时,pH、ALK分别从大于4.1和250 mg/L的水平,迅速下降到3.7和5 mg/L以下,而ORP则从-350 mV急速上升到-210 mV以上.表明厌氧活性污泥微生物已无法承受有机负荷提高造成的环境变化,其活性受到严重抑制,反应器产氢能力急剧下降,系统的产酸发酵类型也发生了根本改变.     

两种类型生物制氢反应器的运行及产氢特性

为探求反应器型式对发酵法生物制氢过程的影响,分别采用连续流搅拌槽式反应器(CSTR)和颗粒污泥膨胀床反应器(EGSB)接种厌氧活性污泥,从糖蜜废水中制取氢气.运行中控制温度为35℃,通过缩短水力停留时间(HRT)和增加进水COD质量浓度的方式逐渐提高容积负荷(OLR),分别对CSTR系统和EGSB系统的产氢速率、pH、液相末端产物及生物量进行研究.结果表明,两个系统中,产氢速率均随OLR提高而逐渐升高.CSTR的最佳产氢OLR为25~35 kg/(m3.d),而EGSB的最佳产氢OLR为70~80 kg/(m3.d);此时,CSTR系统的最大产氢速率为6.21 L/(L.h),EGSB系统的最大产氢速率可达18.0 L/(L.h).稳定运行期,EGSB系统的生物量为27.6 gVSS/L,而CSTR的生物量仅为7.8 gVSS/L,说明较高的生物量是生物制氢反应器稳定运行和高效产氢的关键.两个系统均可形成乙醇型发酵,说明发酵类型的形成不受反应器型式影响.与CSTR反应器相比,EGSB反应器具有更好的耐酸能力.     

HRT对发酵产氢厌氧活性污泥系统的影响

HRT的改变可对发酵产氢厌氧活性污泥系统产生多方面的影响.在进水COD质量浓度为6 000 mg/L、35℃、不对进水pH值进行调节等条件下,发酵产氢厌氧活性污泥系统HRT从8 h降低为6 h时,其pH值、ALK分别从4.3和250 mg/L降低为4.2和180 mg/L,ORP从-380~-360 mV升高到-330~-300 mV,生物量虽然从8.7 gVSS/L降低到了7.2 gVSS/L,其产氢能力却从0.14 L/(gVSS.d)提高到0.22 L/(gVSS.d),液相末端发酵产物总量从1 106.1 mg/L增加为1 695.1 mg/L,作为乙醇型发酵目的产物的乙醇和乙酸的含量从90%减少为85%.HRT进一步降低为4 h时,系统内生态条件发生剧烈变化,其pH值、ALK、ORP分别为3.7、75 mg/L和-210 mV,生物量锐减至1.1 gVSS/L,同时乙醇型发酵演替为混合酸发酵,产氢能力下降为零.可见,多种因素可对发酵产氢厌氧活性污泥系统产生影响,而其中HRT是直接可控的第一影响因素.     

氮磷复合肥投加量对厌氧生物制氢发酵类型的影响

采用连续流厌氧产氢发酵反应器研究了氮磷复合肥对厌氧生物制氢产酸发酵类型的影响。试验过程中有机负荷保持不变(21.8 kgCOD/m3.d),复合氮磷肥投加量从高到低先后为40、20、10和0 mg/L进行变化,试验开始20 d后反应器的发酵类型就从原先的丁酸型转变为乙醇型,在此期间气体的总产量变化不大,但氢气含量和产量明显上升。结果表明,营养元素是厌氧发酵法生物制氢反应器运行过程中影响产酸发酵类型的重要因素,投加氮磷复合肥达到10 mg/L就足以影响发酵类型稳定性,高于10 mg/L时易于形成丁酸型发酵,低于10 mg/L时易于形成乙醇型发酵;营养物质的投加量对于系统的pH和ORP值没有明显影响;在生物制氢反应器中,尽管特定微生物群落是形成特殊产酸发酵类型如丁酸型或乙醇型的前提条件,但其它生态因子如营养元素等对于发酵类型的最终形成也具有重要的影响。     

L-半胱氨酸对连续流发酵生物制氢的促进作用

为了研究L-半胱氨酸对连续流厌氧发酵生物制氢系统的影响,通过运行两组平行的连续流搅拌槽式反应器(CSTR),一组随进水连续添加0.1 g/L的L-半胱氨酸,另一组不添加,对比考察两组系统的氧化还原电位、生物量、产酸发酵情况以及产氢能力.结果发现添加L-半胱氨酸反应器的氧化还原电位降至-400 mV以下仅需1 d,形成稳定的乙醇型发酵仅需25 d;而未添加L-半胱氨酸的反应器则分别需要10 d和35 d.达到稳定运行状态时,添加L-半胱氨酸反应器的产氢速率为3.06 L/d,高于未添加L-半胱氨酸的2.99 L/d.研究表明L-半胱氨酸能够促进形成适宜乙醇型产氢发酵的低氧化还原电位环境,从而加快连续流产氢系统的启动进程,并提高系统的产氢能力.     

有机负荷对厌氧活性污泥发酵产氢系统的影响

采用连续流搅拌槽式反应器(CSTR),通过改变进水COD浓度与水力停留时间(HRT)2种方式,考察了有机负荷(OLR)对厌氧活性污泥发酵产氢系统产氢特性的影响.结果表明,在维持HRT 8 h、(35±1)℃不变的条件下,CSTR发酵产氢系统在进水COD浓度为6 000 mg/L(OLR为18 kg/(m3·d))时可获得较高的产氢量,平均为10.96 L/d;当进水COD浓度提高到8 000 mg/L(OLR为24 kg/(m3·d))时,系统产氢能力迅速下降.在维持进水COD浓度为6 000 mg/L、(35±1)℃不变的条件下,HRT为6 h(OLR为24 kg/(m3·d))时,CSTR发酵产氢系统的最大产氢量为16.2 L/d;当HRT降至4 h(OLR为36 kg/(m3·d))时,反应系统逐渐丧失了产氢能力.有机负荷过高,将引起了厌氧活性污泥发酵产氢系统内pH、碱度、氧化还原电位等生态条件的剧烈变化,不仅导致了厌氧活性污泥的微生物群落结构的改变,同时严重抑制了微生物的代谢活性.     

产酸相反应器快速启动和乙醇型发酵菌群驯化

在有机废水产酸发酵类型中，产酸相的乙醇型发酵被认为是两相厌氧生物处理系统中的最佳发酵类型，如何实现产酸相微生物菌群的乙醇型发酵，是提高系统处理能力的关键因素之一，通过模型反应器的小试研究和中试规模的反应器运行，证明了利用不同性质活性污泥对产酸相反应器进行快速启动的可行性，并探索了产酸相乙醇型发酵菌群的驯化途径，研究证明，在污泥接种量≮6.5gVSS／L的前提下，将进水COD质量浓度，HRT和pT值分别控制在3000－500mg/L,8.0-10.6h和4.5-7.0的范围时，可在20d内完成产酸相的快速启动，并可在45d左右实现对乙醇型发酵菌群的驯化。     

接种污泥对产氢颗粒污泥形成的影响

采用两个平行的颗粒污泥膨胀床反应器(EGSB),控制温度为(35±0.5)℃,逐步提高进水容积负荷,分别研究接种污泥对产氢速率、颗粒粒径分布变化、液相末端产物和启动末期系统参数的影响.结果表明,采用缺氧污泥混合厌氧污泥进行接种的反应器比直接采用产甲烷颗粒污泥粉碎后接种的反应器更易形成颗粒污泥.在启动末期,前者的平均颗粒粒径为后者的1.25倍,产氢速率是后者的1.23倍.两个反应器都形成了乙醇型发酵,说明发酵类型的形成不受接种污泥影响.启动末期系统的pH值分别为3.9～4.3和4.0～4.4,混合污泥接种反应器的挥发性悬浮固体质量浓度为27.2g/L,厌氧污泥接种反应器的挥发性悬浮固体质量浓度为24.1g/L.相比厌氧污泥接种的反应器,混合污泥接种能更快速培养颗粒污泥,并且反应系统产氢速率高,耐酸性更好,生物持有量大,有利于生物制氢系统高效产氢和稳定运行.     

生物制氢反应器不同发酵类型产氢能力的比较

对生物制氢反应器乙醇型发酵和丁酸型发酵的产氢能力及其生态学特性进行了对比分析.结果表明,NADH/NAD 平衡调节是影响不同发酵类型产氢差异的主要原因.在有机负荷为40 kg/(m3.d)条件下,乙醇型产酸发酵菌群表现出较高的产氢能力,最大比产氢速率为550 m l/(gVSS.d),是丁酸型产酸发酵菌群比产氢速率的3.3倍.综合两种发酵类型特性、运行操作条件和制氢成本考虑,乙醇型发酵更适合作为生物制氢工业化生产的发酵类型.