厌氧暗发酵产氢细菌研究进展

厌氧暗发酵产氢细菌可在暗环境下分解有机物,产生氢气,在厌氧发酵制氢技术发展中发挥重要作用.对近年来国内外产氢细菌的分离、生理特性、产氢能力研究以及实际应用等方面的进展进行了综述,提出了目前产氢细菌研究存在的问题,认为应加强高效产氢细菌的分离、菌群间代谢网络构建以及弱化产氢过程中有机挥发酸的反馈抑制等方面的研究.     

温度和初始pH对农业固体废物暗发酵产氢的影响

以猪粪、鸡粪、玉米秸秆、餐厨垃圾和厨余垃圾等5种农业固体废物为底物,采用修正的Gompertz模型,研究了典型农业固体废物暗发酵产氢动力学和代谢产物变化规律,探讨了不同温度和初始pH条件下的主要产氢代谢途径。结果表明:温度和初始pH对农业固体废物暗发酵产氢具有显著影响;高温组累积产气量和氢气百分含量显著高于中温组。在55℃高温且pH为6.0的条件下,餐厨垃圾暗发酵产氢效果最佳,累积产气量和氢气百分含量最大,为1 100 mL和73.58%,最大产氢速率和产氢潜力分别为37.11 mL·h~(-1)和660.30 mL;厨余垃圾暗发酵产氢效果次之,鸡粪产氢潜力最差。在暗发酵产氢末期,以鸡粪为底物的代谢产物的氨氮浓度最高,过高的氨氮浓度可能抑制了产氢过程。VFA分析表明:不同底物和条件下丁酸浓度均最高,且含有少量乙醇、乙酸、丙酸等;暗发酵产氢代谢途径是以丁酸型发酵为主的混合型发酵。通过温度、初始pH等非生物性控制因素的优化调控,显著提高了农业固体废物暗发酵产氢潜力和底物利用效率,为生物制氢的技术研发与工程应用提供参考。     

木薯酒精废水高温厌氧发酵产氢研究

以木薯酒精废水为厌氧发酵产氢底物,以中温(37℃)厌氧颗粒污泥作为接种物.研究了高温条件(60℃)下厌氧发酵产氢的可行性;并比较了60～80℃条件下的累积产氢量,产氢速率和液相发酵产物组成,以确定温度对木薯酒精废水厌氧发酵产氢的影响以及不同温度下厌氧发酵产氢菌的代谢类型.结果表明,60℃时累积产氢量为383 mL(木薯酒精废水用量140 mL)、产氢率为70.0 mL(以每克挥发性固体(VS)计),中温厌氧颗粒污泥适合作为高温条件下木薯酒精废水厌氧发酵产氢的接种物;从60℃升高到80℃时,累积产氢量逐渐下降,最大产氢速率逐渐降低,80℃时产氢完全受到抑翩.70℃为产氢的临界点,低于70℃时厌氧发酵产氢菌的代谢类型属典型的丁酸型发酵,此过程中伴随着大量氢气产生,大于等于70℃时,正丁酸生成受到严重抑制,累积产氢量迅速降低;氢气的产生主要来自于溶解性碳水化合物的分解.     

丁酸胁迫对产氢污泥以厨余为底物的产氢影响

采用丁酸对产氢污泥进行胁迫处理,经胁迫后的污泥接种厨余垃圾进行产氢实验,考察丁酸胁迫对提高产氢性能的影响。结果表明,低浓度胁迫能提高产氢污泥的耐丁酸性,从而提高产氢量,而胁迫浓度过高则抑制产氢污泥活性,胁迫浓度呈"horm esis"效应。实验采用的4 g/L胁迫浓度为最佳,反应结束后,丁酸浓度和产氢量分别为8 417.1 mg/L和63.72 mL/g VS,比空白提高了31.3%和114%。产氢过程中SCOD的主要来源是有机酸。对产氢污泥胞外多聚物(EPS)的测定表明,厨余垃圾酸化速率、氢气产生速率和EPS总量成正相关。     

典型农业废弃物干式厌氧发酵产氢影响因素的研究

以5种典型农业废弃物(猪粪、鸡粪、秸秆、餐饮垃圾和厨余垃圾)为研究对象,采用干式厌氧发酵产氢技术,研究不同初始pH、温度对产氢潜力和代谢途径的影响。结果表明,当中温、初始pH为7.0时,餐饮垃圾产氢效果最佳,最大累积产氢量为261.96mL,最大产氢速率为15.18mL/h,氢气体积分数最大值为64.61%;当中温、初始pH为6.0时,秸秆产氢效果最好,最大累积产氢量为254.41mL,最大产氢速率为24.50mL/h,氢气体积分数最大值为65.54%。5种农业废弃物干式厌氧发酵产氢的代谢途径均以丁酸型发酵为主。     

预处理沼液与餐厨废弃物的厌氧产气发酵特性

为了实现对餐厨废弃物能源化的梯度利用,将沼液进行水浴加热、超声波和曝气等预处理后与餐厨废弃物混合,在中温(35±1)℃条件下进行产氢和产甲烷梯度厌氧发酵实验。考察了不同预处理沼液对产氢率、产氢相缓冲能力、产氢过程可溶性代谢产物成分以及其进行产甲烷发酵的潜力。结果表明,未经处理的沼液与餐厨废弃物混合发酵的产氢率很低,并且相分离不彻底有甲烷产生;各预处理组的产氢率均明显高于未处理组,并很少或几乎没有甲烷产生,其中超声波处理组产氢率最高为52.3 m L·g~(-1)VS。水浴加热和超声波处理组的产氢流出液经产甲烷发酵,可以获得与餐厨废弃物直接进行产甲烷发酵相当的甲烷产率。这表明,将餐厨废弃物进行产氢和产甲烷梯度厌氧发酵可获得更高的能源化效率。     

不同热处理温度对污泥厌氧发酵产氢的影响

污水处理厂污泥产生量日益增加，对环境的影响倍受关注。污泥除了含有大量的葡萄糖、蛋白质等有机物外，还包括大量的微生物，具有厌氧发酵产氢的潜能。通过批式实验系统研究了热处理污泥厌氧发酵产氢情况。研究结果表明，经过适当热处理，可以抑制耗氢菌，同时能保持产氢菌的活性，另外，对污泥还有一定的融胞作用，使污泥中溶解性的糖和蛋白质的含量增加，提高预处理污泥的产氢效率；最佳的热处理温度为75℃，处理后污泥进行厌氧发酵产氢的最大累积产氢量为18.32 mL，比产氢率3.49 mL/g VS。     

发酵产氢的动力学模型

发酵产氢已经建立和应用了一些动力学模型.对描述批次发酵产氢过程的动力学模型,描述各种因子对其影响的动力学模型,以及探讨基质降解速率、产氢细菌(HPB)生长速率和产物形成速率关系的动力学模型进行了综述分析.分析表明,改进的Gompertz模型被广泛用于描述批次发酵产氢过程；Monod模型则广泛应用于描述基质浓度对基质降解...     

单室双阳极微生物电解池利用氢发酵废水产氢

为提高微生物电解池(MEC)利用氢发酵废水产氢速率,以丁酸为底物在微生物燃料电池(MFC)中驯化富集阳极产电微生物,采用单室双阳极MEC处理玉米秸秆的氢发酵废水,通过对关键过程参数的优化,实现氢发酵废水高效产氢。结果表明,当外加电压为0.8 V时,产氢速率和玉米秸秆氢发酵废水中COD的去除率分别达到(5.31±0.13)m~3·(m~3·d)~(-1)和(58±2)%。其中,乙酸、丁酸、丙酸、乙醇的去除率分别达到(95±2)%、(76.2±0.8)%、(93±3)%、(98±1)%。与单室单阳极MEC相比,单室双阳极MEC利用玉米秸秆氢发酵废水进行深度产氢的速率提高了1.22倍。此外,MEC生物阳极驯化方式对MEC利用玉米秸秆氢发酵废水产氢具有重要影响。与利用乙酸为底物驯化富集的生物阳极相比,以丁酸为底物驯化富集的生物阳极去除COD的能力和MEC产氢速率都有提高。     

利用废水和固体废弃物中有机质发酵产氢研究进展

总结了发酵法产氢的机理、微生物种类、产氢菌的富集方法 ,综述了利用废水和固体废弃物中有机质生物发酵产氢的最新研究进展及存在的问题     

初始pH对产氢发酵液厌氧产甲烷的影响研究

以啤酒厂厌氧颗粒污泥为接种物,对葡萄糖废水产氢后的发酵液进行间歇式中温厌氧发酵产甲烷实验.研究了不同的进水初始pH为5.5±0.2、6.0±0.2、6.5±0.2和7.0±0.2时对产氢发酵液产甲烷的影响,并以产氢发酵液的原始pH(4.2～4.4)作为对照.结果表明:产氢发酵液厌氧产甲烷必须添加一定量的碱加以调节,进水...     

微氧条件下玉米秸秆的发酵产氢

以玉米秸秆为原料,通过小试实验研究了不同的预处理方式和通氧量对微氧条件下发酵产氢的影响,放大实验对比了微氧发酵和厌氧发酵过程中产气、产氢、pH、碱度、挥发性脂肪酸(VFA)以及微生物种群的变化。小试实验表明,经过稀酸预处理的玉米秸秆产氢效果最好,最佳通氧量确定为280mL/(kg·d)。放大实验表明,微氧发酵的最大产气量、最大产氢量、累计产气量和累计产氢量均高于厌氧发酵,并且产气和产氢时间延长了6h。引起pH和碱度变化的原因主要是VFA的积累,特别是乙酸和丁酸。能够鉴定到科及以下的微氧发酵产氢优势种有肠球菌属(Enterococcus sp.)、拟杆菌属(Bacteroides oleiciplenus)、柠檬酸杆菌属(Citrobacter sp.)、消化链球菌科(Peptoclostridium difficile)、肠杆菌属(Escherichia sp.)、乳杆菌属(Lactobacillus mucosae)、梭状芽孢杆菌科(Clostridia)、梭菌属(Clostridium baratii)、双歧杆菌属(Bifidobacterium animalis)。     

温度和底物浓度对混合菌群木糖厌氧生物产氢的影响

为了获得混合菌群利用木糖进行厌氧发酵产氢的最佳条件,通过批次实验,对中温(35℃)和高温(55℃)下混合菌群利用不同浓度木糖(10~50 g/L)厌氧发酵产氢系统进行了研究。结果表明,35℃下系统累积产氢量和最大氢气产率在底物浓度30 g/L时获得,乙醇和乙酸为主要产氢副产物,但继续提高底物浓度会造成系统VFAs的积累与p H下降,不利于木糖代谢产氢;而55℃下累积产氢量和氢气产率随底物浓度升高持续增长,乙醇为系统主要产氢副产物,VFAs累积量较少。高温下,虽然最大氢气产率和底物木糖降解量比35℃下的低,但有利于获得较为稳定的氢气产量,产氢系统在高底物浓度下也可保持较高的木糖降解率和较为稳定的p H,有利于木糖代谢产氢。     

垃圾渗滤液发酵产氢和产甲烷特性研究

以实际垃圾渗滤液作为厌氧发酵基质,研究了初始pH为7.0、中温(37℃)条件下的发酵产氢、产甲烷特性。结果表明,利用垃圾渗滤液作为基质发酵产氢或甲烷时,氢气的最大累积产量为24.33mL(以每克COD计,下同),甲烷的最大累积产量为91.59mL,产氢发酵在初期存在明显的迟滞期,但是产甲烷发酵不存在明显迟滞期;产氢发酵的液相末端产物中含有大量的挥发性有机酸和乙醇,乙醇、乙酸、丁酸质量浓度分别为487.23、1 175.21、1 225.78mg/L,相比产氢发酵,产甲烷发酵的液相末端产物中乙醇、乙酸、丁酸质量浓度均较低,分别为256.38、106.73、107.42mg/L;产甲烷发酵的最终pH是6.32,接近中性,而产氢发酵的最终pH为4.21,呈明显酸性;产甲烷发酵对COD的去除率(41.78%)高于产氢发酵对COD的去除率(32.14%),可能是产氢发酵液相末端产物中的乙酸能被产甲烷菌利用,而被进一步降解。     

餐厨垃圾厌氧产氢综述

针对餐厨垃圾厌氧产氢过程,从工艺、单组分底物厌氧产氢和过程机理研究阐述了国内外进展,并对未来研究发展方向进行了展望.研究成果表明,餐厨垃圾厌氧发酵产氢过程可行,但影响因素多,系统不稳定,大部分研究停留在实验室小试阶段.尚需针对餐厨垃圾厌氧发酵产氢优势菌种选育、生态因子调控、代谢机理、反应器改进和系统控制模拟等方面开展研究,为该技术的大规模应用提供研究基础.     

餐厨垃圾厌氧干发酵产氢特性及其调控

采用干发酵技术以餐厨垃圾为底物进行产氢实验,比较不同TS(20%、22%、24%和30%)条件下的产氢情况,修正的Gompertz模型能够较好地拟合餐厨垃圾干发酵过程中的产氢情况(R20.97),获得最佳的TS为22%。反应1.5 d后,累积产氢量出现下降,发现反应体系内存在耗氢现象,微生物群落结构显示TS 22%组优势菌属为Lactobacillus。随后,在TS含量为22%的条件下,添加氯仿对耗氢进行抑制。结果表明:添加0.05%的氯仿能够显著提高产氢量,最大累积产氢量为29.66 mL·g~(-1)(TS),是对照组的1.29倍;氯仿添加量为0.05%时,碳水化合物的降解率最高,达到43.07%;氯仿不仅会对耗氢产生抑制,同时也会抑制产氢,适宜浓度的氯仿能够提高餐厨垃圾干发酵产氢,最佳添加量为0.05%;餐厨垃圾干发酵产氢过程为丁酸型发酵,主要的液相末端发酵产物为乙酸和丁酸。     

光合产氢-膜曝气生物膜反应器耦合系统产氢与底物降解特性

为提高光合产氢反应器性能,构建了一种采用沼泽红假单胞菌CQK01接种的光生物产氢-膜曝气生物膜反应器(PBR-MABR)耦合系统。实验表明,在序批培养条件下,由于产氢过程中有机酸和氢离子不断积累,使得PBR系统的产氢速率远低于PBR-MABR系统,其产氢速率为0.49 mmol·(L·h)-1;而PBR-MABR、PBR-2MABRs和PBR-3MABRs的产氢速率则分别可达到0.61、0.76和0.85 mmol·(L·h)-1。这主要是由于有机酸被MABR中的透气膜上生长的生物膜不断降解所致。有机酸的降解不仅提高了耦合系统内pH值并在一定程度上缓解了体系中的产物抑制。     

底物初始浓度对光合细菌产氢动力学特性的影响

实验研究了底物初始浓度对光合细菌产氢动力学特性的影响，并对光合细菌产氢得率和初始底物转化为氢气得率进行比较，分析底物初始浓度对光合细菌产氢代谢的影响，实验发现底物初始浓度为120 mmol/L时最适合光合细菌的产氢代谢，底物初始浓度达到140 mmol/L时，光合细菌主要进行生物量合成和产酸代谢，得到各浓度梯度下的最大生物量，但对产氢代谢产生抑制作用，表明最大生物量与最大的产氢能力之间不成正比关系及光合细菌产生CO2机制与产氢机制不同；光合细菌最大比产氢活性表现在对数生长期，最大生物量出现在稳定期。实验证明，光合细菌对数生长期受底物浓度影响大，底物浓度低，最大生物量所对应的时间相对较早，底物浓度增大，最大生物量所对应的时间相对延后。     

温度和水蒸气流量对烟秆高温气化的影响

利用上吸式固定床反应器,对烟秆进行了水蒸气气化实验,在617~1 435℃的温度范围内研究了温度及水蒸气流量对气化特性的影响。结果表明,当气化温度低于917℃时,升高温度可同时促进均相和非均相产氢反应的进行,产氢率随着温度升高而迅速上升。当温度上升到917℃时,非均相反应已进行得足够充分,潜在产氢率达到最大值,碳转换率超过0.8。当温度超过917℃后,温度升高对产氢的影响主要体现为促进均相反应进行,产氢率上升变缓。温度达到1 327℃时,均相反应速率足以使气体在反应器内反应完全,因而升高温度不再有助于提高产氢率,产氢率最大值为0.97m~3/kg。水蒸气流量增加能够促进气化产氢反应与水蒸气扩散,同时会缩短气体停留时间、降低局部温度,因此,随着水蒸气流量增加,产氢率先升高后降低,在917℃时烟秆气化的最佳水蒸气流量为15.7 g/min。结果可以为生物质高温气化制氢的研究提供参考。     

光合细菌利用沼液废水制氢的影响因素

沼液资源化利用将是未来热点问题,首次尝试研究利用光合细菌处理沼液废水的产氢工艺条件,探讨反应预处理时间、光照度、温度、沼液的pH值和接种量因素对光合细菌产氢过程的影响。结果表明,在光照厌氧的条件下,光合细菌产氢的最佳工艺条件为:温度35℃,光照度1 000 lux,pH值9,接种量50%,反应预处理时间24 h,最大产氢量达到500mL/(200 mL沼液),对进一步研究开发光合细菌处理沼液废水和产氢有重要的参考价值。