不同底物种类对厌氧发酵产氢的影响

在批式培养试验中以人工配置的废水为原料,以厌氧消化污泥作为天然产氢菌源,通过厌氧生物发酵制备生物氢气,研究了不同底物葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、木糖、乳糖对产氢能力的影响,以及生物制氢发酵过程中液相组成的变化,并对产氢动力学和细菌生长动力学进行了分析.结果表明,5种底物中最佳的底物是葡萄糖,氢气含量、累积产氢量和氢气产量最高可达到49.52%、67.21 L/mol、3.23 mol/mol.发酵产氢代谢产物以丁酸和乙酸为主,乙酸的含量占到26.76%～40.49%,丁酸的含量占到37.60%-58.07%.并含有部分丙酸和乙醇,属于丁酸型发酵.丁酸/乙酸比值可作为衡量氢气产生效率的一个指标,比值越大产氢量越高.实验中氧化还原电位均在-300 mV以下,以厌氧为主.Gompertz模型能够很好地拟合其产氢过程和产氢菌生长过程.     

连续流生物制氢反应器乙醇型发酵的运行特性

采用连续流搅拌槽式反应器(CSTR),利用厌氧活性污泥,在制糖废水产酸发酵过程的同时制取氢气.探讨了生物制氢反应器连续流稳定运行的工程控制参数.研究表明,在污泥接种量为15g/L、温度为35℃±1℃、COD容积负荷为40kg/(m³·d)、HRT为4h、系统pH、氧化还原电位(ORP)分别在4.6～4.9、-450～-470mV等条件下,可以实现连续流生物制氢反应系统乙醇型发酵的高效稳定运行.此时,液相末端发酵产物中乙醇和乙酸的含量占挥发酸总含量的80%以上,COD去除率22%～26%,气相中的氢气含量约为40%～58%,最大产氢能力为7.63m³/(m³·d).     

pH5条件下生物制氢反应器的启动及运行特性

采用连续流搅拌槽式反应器(CSTR),以糖蜜废水为底物,探讨了pH5条件下生物制氢反应器的启动和运行特性.结果表明,保持反应器内pH为5,污泥接种量为6g/L、COD启动负荷为7.0kg/(m³·d)、水力停留时间(HRT)为6h等条件,可在30d内完成产氢发酵菌群的驯化.此时系统氧化还原电位(ORP)稳定在-460mV～-480mV之间,系统呈现明显的混合酸发酵特性.其液相末端发酵产物比例分布相当,乙酸、乙醇、丁酸、丙酸和戊酸含量分别占发酵产物总含量的36%,33%,18%,13%.没有占绝对优势的发酵产物.气相中的氢气含量30%～35%,其最大产氢能力为1.3m³/(m³·d).生物制氢反应器混合酸发酵稳定运行期各种产酸发酵细菌处于均势地位,以球菌和杆菌为主.     

丁酸型发酵生物制氢反应器的运行特性研究

采用连续流搅拌槽式反应器(CSTR),利用厌氧活性污泥以糖蜜废水为底物发酵产氢,探讨了丁酸型发酵生物制氢反应器稳定运行的工程控制参数,并运用变性梯度凝胶电泳技术(denaturinggradientgelelectrophoresis,DGGE)对微生物菌群结构稳定性进行了分析.研究表明,在污泥接种量(SS)为15g·L-1、温度为(35±1)℃、容积负荷为40kg·m-3·d-1、水力停留时间(HRT)为4h条件下,可以获得CSTR丁酸型发酵的最大产氢速率2 37m3·(m3·d)-1.此时系统的pH、氧化还原电位(ORP)分别在5 2～5 5、-480～-500mV之间.液相末端发酵产物中乙酸和丁酸、乙醇、丙酸、戊酸的含量分别占挥发酸总含量的70%,20%,7%,6%.气相中的氢气含量在30%～40%之间.根据PCR DGGE指纹图谱显示此时期丁酸型发酵优势菌群在反应器内结构保持稳定.     

天然厌氧微生物氢发酵生产生物氢气的研究

以牛粪堆肥作为天然厌氧微生物菌种来源处理含蔗糖和淀粉的模拟有机废水,通过厌氧氢发酵产生生物氢气,同时使废水得到净化处理.在实验条件下,生物气中氢气浓度可达61%,产物中无甲烷气生成.以蔗糖为底物时,最佳初始pH值6.0,最大产氢能力为146mL/g;以淀粉为底物时,最佳初始pH值7.5,最大产氢能力为166mL/g,最佳底物浓度均为5g/L.模拟废水中COD去除率可达40%~60%.     

EGSB厌氧发酵垃圾渗滤液制氢的启动特性研究

利用厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB),对生活垃圾堆肥厂初期渗滤液的厌氧生物发酵制氢启动特性进行了研究,探讨了反应器对渗滤液中COD、总氮、总磷的去除效果和产氢能力.结果表明在中温35℃±1℃,有机负荷1.4~16.7 g/(L.d),pH为5.0~5.5的条件下,经过20 d的适应期后,EGSB反应器可以实现连续稳定产氢.在水力停留时间为30 h,液体上升流速为3.0 m/h的稳定运行阶段,最高产氢率为1 460 mL/(L.d),氢气含量为19%~33%,COD去除率为50%~70%,总磷、总氮的去除率稳定在40%~70%、32%~65%.液相末端发酵产物中乙醇和乙酸总含量占挥发性脂肪酸(VFA)总量的80%以上,发酵类型以乙醇发酵型为主.     

高温(70℃)玉米秸秆水解液产氢行为及群落结构

考察了高温条件下(70℃)牛粪堆肥、土壤、厌氧污泥、腐烂秸秆种接种物利用玉米秸秆水解液的产氢行为。结果表明:牛粪堆肥接种时达到最大的产气量(1355.7mL/L)和氢气产量(608.4mL/L),随后依次为腐烂秸秆、厌氧污泥和土壤。修改的Gompertz方程可以较好描述产氢量随时间变化趋势(R2>0.99)。牛粪堆肥接种时达到最大的产氢潜力(676.0mL/L),而土壤接种时的迟滞时间最小(9.8h)。DGGE图谱显示:不同接种物对应不同的微生物群落结构。Bacillus thermozeamaize,Enterobacter sp.JDM-19和Thermoanaerobacterium polysaccharolyticum strain,KMTHCJT和可能分别是牛粪堆肥,厌氧污泥和腐烂秸秆接种条件下的关键产氢微生物。     

甲烷丝菌混养促进螺旋藻自发酵产氢

采用只消耗乙酸盐而不消耗氢气的甲烷丝菌与螺旋藻混合培养,以提高螺旋藻利用自身多糖在自身氢酶作用下暗发酵产氢量.通过培养基调控提高了螺旋藻生长富集的总糖产量,当Na Cl浓度由239 mmol·L~(-1)增加到739 mmol·L~(-1),螺旋藻总糖产量提高了107.7%,达到0.54g·L~(-1).螺旋藻在黑暗厌氧条件下加入甲烷丝菌混养后的自发酵产氢量提高了33.8%,达到43.8 m L·g-1;液相主要代谢产物乙酸盐则提高了69.2%,达到1639.1μmol·g-1.同时,螺旋藻加入甲烷丝菌混养后自发酵过程的能量转换效率由6.7%提高到11.6%.甲烷丝菌通过消耗乙酸盐促进了螺旋藻自发酵产氢的乙酸途径反应正向进行,从而提高了氢气产量和能量转换效率.     

不同来源污泥产氢CSTR的启动和运行特性研究

分别利用好氧污泥和厌氧污泥作为厌氧接触制氢系统的接种污泥,以连续搅拌槽式反应器(CSTR)的运行为基础,探讨了不同接种污泥反应器的启动运行特性。反应器在接种量为6 g MLVSS/L、HRT为8 h、系统温度(35±1)℃、初始进水COD浓度为1 000 mg/L,等条件下启动。好氧种泥系统在33 d内达到稳定的乙醇型发酵,乙醇和乙酸之和的质量百分数占液相末端发酵产物总量的80.4%,系统平均产气速率和产氢速率分别达到35 L/d和14 L/d,系统pH值和碱度分别维持在4.7和510 mg/L左右。厌氧种泥系统在27 d内达到乙醇型发酵,乙醇和乙酸之和的质量百分数占液相末端发酵产物总量的84.7%,平均产气速率和产氢速率分别达到9 L/d和2.4 L/d,系统的pH值和碱度分别维持在4.6和630 mg/L左右。     

玉米秸秆发酵浸出液模拟废水发酵产氢的放大实验研究

在20 L的半连续流发酵罐中,以牛粪堆肥为产氢菌源,按照玉米秸秆发酵浸出液的主要成分配制模拟废水,考察和分析了几个关键环境因素对发酵产氢的影响.结果表明,HRT、C/N、Fe²⁺浓度和模拟废水浓度对发酵产氢均有不同程度的影响.在本实验条件下,秸秆模拟废水的氢产量、氢浓度和产氢速率分别为11.80 mol/kg、56%和8.81 L/(L·d),底物转化率大于90%,废水中COD去除率为39.40%.在整个发酵产氢过程,液相主要发酵副产物为丁酸、乙酸和丙酸以及少量的乙醇和丁醇.     

pH值调控柠檬酸污泥厌氧发酵产酸及碳源潜力研究

以柠檬酸废水厌氧颗粒污泥为接种物,在不同pH值调控条件下开展柠檬酸生产废水剩余活性污泥厌氧发酵产酸研究。通过对发酵液挥发性脂肪酸(VFAs)、有机质、氮磷和污泥脱水性能的分析,探讨了柠檬酸污泥厌氧产酸机制。结果表明,pH³10的碱性条件更有利于有机质的溶出从而促进VFAs的产生。三维荧光光谱分析发现在恒定pH值下腐殖酸(HA)和富里酸(FA)会大量溶出降低VFAs的产量。初始pH=10是柠檬酸污泥厌氧产酸的最佳pH值,发酵4d的VFAs浓度最高达(6681.47±126.82)mg COD/L,是文献报道中市政污泥产酸量的近2倍,其中乙酸占比49.8%,发酵后产酸功能菌Chloroflexi、Bacteroidota的相对丰度分别由初始的9.52%、10.87%增至16.84%、14.39%,污泥归一化毛细吸水时间(n_CST)为(11.34±0.27)s×L/g,脱水性能良好,发酵液TP浓度为(20.45±0.33)mg/L。研究表明,利用柠檬酸剩余活性污泥碱性厌氧发酵产酸作为污水处理过程中的外加碳源具有较大潜力。     

有机废弃物氢发酵制备生物氢气的研究

在批式培养实验中以有机废弃物为原料,通过厌氧生物发酵制备生物氢气研究了菌种来源、有机废弃物种类对产氢能力的影响,以及生物氢发酵过程中液相组成的变化以活性污泥为菌种来源,以淀粉为底物,在30L改进的UASB反应器中进行了放大实验,生物气中氢气浓度达40%～51%,CO₂浓度为49%～60%,且没有检测到甲烷气体,生物气经碱液吸收后氢气纯度大于97%持续产氢时间超过120d.     

Pseudomonas sp. GL1利用不同预处理污泥产氢及其底物变化研究

采用厌氧发酵的方法研究Pseudomonas sp.GL1利用灭菌、微波和超声波预处理污泥产氢效果,讨论3种预处理污泥产氢效果的差异,并对污泥发酵过程中底物性质变化(SCOD、可溶性蛋白质、总糖和pH值等)进行了探讨.实验结果显示,产氢菌Pseudomonas sp.GL1发酵各预处理污泥过程中均只有H2和CO2产生,无CH4产生.3种不同预处理污泥同等条件下发酵,灭菌污泥的产氢效果最佳,氢气含量高达81.45%,产氢率为30.07mL·g-1.超声波处理污泥产氢延迟时间最短(3 h);灭菌污泥最长(15 h);微波预处理污泥为12 h.在预处理污泥发酵产氢过程中,各种污泥性质变化情况各不相同,尤其是灭菌污泥,这说明不同的预处理方法影响Pseudomonas sp.GL1发酵过程对污泥中营养物质的利用.     

污泥厌氧发酵产氢的影响因素

污水生物处理过程中产生大量剩余污泥, 通常采用厌氧发酵处理并获取甲烷气体. 产氢产酸是污泥厌氧消化过程中的一个中间阶段. 本研究考察了原污泥和经碱处理的污泥在不同初始pH(3.0～12.5)条件下的产氢效果, 以及污泥性质和污泥浓度等对产氢效果的影响. 结果表明, 当初始pH为11.0时污泥发酵的产氢率达到最大值.采用原污泥发酵产氢时, 在初始pH为11.0的条件下发酵产氢获得的最大产氢率为8.1 mL/g, 而经碱处理的污泥在同样初始pH的条件下发酵产氢可将其产氢率提高一倍左右, 达到16.9 mL/g. 污泥经碱处理后厌氧发酵4d无甲烷产生, 且可有效地降低氢气消耗的速率. 另外, 污泥的VSS/SS值过低时会大大降低污泥的产氢率, 而污泥浓度对产氢率无明显影响.     

腐殖酸和产甲烷抑制剂对厌氧污泥发酵产氢效能的影响

为提高厌氧污泥的发酵产氢能力,采用间歇培养方式考察了不同产甲烷抑制剂与腐殖酸联合作用对厌氧污泥发酵葡萄糖产氢效能的影响,并通过Illumina MiSeq测序揭示了微生物群落结构的变化规律.结果表明,在葡萄糖初始浓度为500 mg·L^-1条件下,经过120 h的连续培养后,对照的累计产氢量为1.2 mL,存在明显的耗氢现象.当加入0.02%氯仿（V/V）、0.04%氯仿（V/V）或2-溴乙酸磺酸钠（10 mmol·L^-1）后,耗氢现象得到有效控制,它们的累计产氢量分别为15.7、13.2和9.4 mL.当向发酵系统同时加入产甲烷抑制剂和腐殖酸后,可以显著提高厌氧污泥的产氢效能.其中,0.02%氯仿和腐殖酸联合作用的促进效果最佳,其累计产氢量和最大产氢速率（R_max）分别达到了17.4 mL和0.24 mL·L^-1.相反,当替硝唑作为产甲烷抑制剂时,仍然存在耗氢现象.Illumina MiSeq测序结果表明,发酵系统中优势菌群的相对丰度存在显著差异.在对照系统中,Ottowia、Ignavibacterium、Nitrospira、Saccharibacteria_genera_incertae_sedis和Terrimona为优势菌群,其相对丰度为2.2%~4.2%.当0.02%氯仿和腐殖酸加入发酵系统后,Ottowia和Saccharibacteria_genera_incertae_sedis的相对丰度较对照分别增加了11.9%和31.8%,而Nitrospira的含量显著减少.     

多因素共同作用对中温条件下污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产H2的影响

污泥与餐厨垃圾联合厌氧发酵产H₂既可减少环境污染,又可制备清洁能源,是一种理想的有机固废处理处置技术。通过4因素5水平正交设计的批式实验及产氢动力学,探究餐厨垃圾C/N、混合体系C/N、含水率、初始pH值4个主要因素共同作用对中温条件下污泥餐厨垃圾联合厌氧发酵产H₂的影响。极差与方差分析结果表明：4个主要因素对联合厌氧发酵产H₂结果影响较明显,而餐厨垃圾C/N和混合体系C/N的交互作用对产H₂结果的影响不显著。不考虑交互作用,以比氢气产量为产H₂效能主要表征指标,最终确定餐厨垃圾C/N为20,联合发酵体系C/N为10,初始pH值为7,含水率为90%时,产H₂效能最佳,此时的累积产氢量为1499.6 mL,比氢气产量为140.96 mL H₂/g DS,最大产氢速率为21.73 mL H₂/h,最大H₂浓度为55.79%。     

氧化还原介体强化厌氧活性污泥发酵产氢特征

为提高厌氧污泥的发酵产氢能力,采用间歇培养方式考察了氧化还原介体（ROMs）对厌氧污泥发酵葡萄糖产氢效能的影响,并通过Illumina MiSeq测序揭示了ROMs对微生物群落的影响.结果表明,在发酵液体积为100mL及葡萄糖初始浓度500mg/L条件下,对照的累计产氢量和最大产氢速率（R_max）分别为11.0mL和0.28mL/h.当腐殖酸和蒽醌-2-磺酸钠（AQS）作为ROMs加入发酵体系后,厌氧污泥的产氢能力显著提高,其累计产氢量和R_max分别比对照高出56.4%、13.6%和53.6%、10.7%.相反,氧化石墨烯（GO）、指甲花醌和蒽醌-2,6-二磺酸钠（AQDS）导致厌氧污泥的产氢能力受到不同程度的抑制.Illumina MiSeq测序揭示了发酵系统的优势菌群存在显著差异.对照系统中的优势菌群主要来自5个属（Thermomarinilinea、Longilinea、Defluviimonas、Gimesia、Planctomicrobium）,腐殖酸、AQS和指甲花醌发酵系统的主要优势菌群为Thermomarinilinea、Longilinea、Ottowia,而Thermomarinilinea、Longilinea、Ottowia、Defluviimonas为AQDS和GO发酵系统的主要菌群.冗余分析的结果表明,产氢量与Longilinea、Macellibacteroides、Trichococcus、Thioflavicoccus和Ottowia呈正相关,而与Defluviimonas、Pirellula、Gimesia和Ignavibacterium呈负相关.     

腐殖酸含量对污泥厌氧发酵过程产CH4效率的影响

污泥中含有的HA（腐殖酸）会对厌氧发酵过程产生影响.为探究ρ（HA）对厌氧发酵产CH₄效率的影响规律,开展了ρ（HA）为0、200、300和400 mg/L（依次记为T0、T1、T2、T3处理）的中温厌氧发酵模拟试验,检测和分析了φ（CH₄）、累计CH₄产量与产生动力学特征,以及ρ（HA）与累计CH₄产量之间的相关性.结果表明:各处理发酵过程的pH在6.9~7.9之间变化,并且HA对pH变化具有减缓作用;T1处理的φ（CH₄）峰值为66.7%,高于T0处理的61.5%,但随着ρ（HA）的进一步增加,φ（CH₄）峰值逐渐下降为62.0%（T2处理）和60.0%（T3处理）;采用修正Gompertz方程对累计CH₄产量的拟合结果表明,HA对厌氧发酵的产CH₄潜能呈抑制作用,且随ρ（HA）的增加,该抑制作用更加明显,T0、T1、T2和T3处理的最大累计CH₄产量分别为441.1、432.1、397.1和253.5 mL;相关性分析结果显示,ρ（HA）与累计CH₄产量呈负相关,随着ρ（HA）的增加,累计CH₄产量逐渐降低.研究显示,HA对污泥厌氧发酵产CH₄过程呈抑制作用,ρ（HA）较低时可提高沼气中的φ（CH₄）峰值.