固体废物厌氧暗发酵生物产氢技术进展

文章总结了固体废物厌氧发酵生物产氢技术进展,包括产氢废物种类、暗发酵生物制氢方向、微生物培养、生物工艺条件以及一些新近研究成果。暗发酵产氢速率快。联合式暗发酵—光发酵是生物产氢工艺中较有前途的方法。富含碳水化合物的有机废物,诸如纤维素与淀粉含量高的农业与食品垃圾以及食品废水,例如奶酪乳与橄榄加工厂以及面包发酵废水等,都可以采用合适的生物工艺技术产氢。     

超声波预处理对厌氧生物制氢的可行性探讨

由于能实现废弃物资源化,减少环境污染,制取清洁能源氢气,生物厌氧发酵制氢技术日益受到人们关注。在众多废水生化预处理技术中,超声波技术拥有高效氧化、焚烧、超临界氧化的特点,而且超声波操作简单,对设备的要求不高。本文阐述了厌氧发酵生物制氢的菌种来源、产氢机理及超声波技术在废水处理方面的应用。同时探讨了超声波预处理猪场废水对提高厌氧发酵生物产氢量的可行性,提出了优化性建议。     

生物载体强化的连续流生物制氢反应器的运行特性

在连续流搅拌槽式反应器(CSTR)中填加比重为1.54 g/cm³,粒径小于2mm的多孔物质,以糖蜜废水为底物利用活性污泥制取氢气.考察了填加生物载体后生物制氢反应器连续流稳定运行的系统特性.研究表明,投加生物载体能够扩大产氢细菌的活性范围,提高系统的抗冲击负荷能力和耐低pH值的能力,增加系统稳定性,并且可使系统在低HRT下保持较高的生物量.此连续流生物制氢反应系统的最佳发酵类型为乙醇型发酵,适宜的pH值范围为3.8～4.4,气相中的氢气含量约为40%～57%,最大产氢速率为0.37L/(g·d).降低pH值可抑制厌氧发酵过程中出现的产甲烷菌群,加速产氢反应器的启动.     

环境与清洁生产(无污染技术)

X382200600124pH5条件下生物制氢反应器的启动及运行特性/宫曼丽…(哈尔滨工业大学市政环境工程学院)∥环境科学/中科院生态环境研究中心.-2005,26(2).-177～180环图X-5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,系统呈明显的混合酸发酵特性。其液相末端发酵产物比例分布相…     

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%.     

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.     

Fe~(2+)对厌氧发酵生物制氢的影响

文章研究了厌氧发酵条件下Fe2+对生物制氢能力的影响。实验中针对改变Fe2+浓度对厌氧发酵产氢能力,pH值,葡萄糖降解效率,液相末端发酵产物VFA的影响进行研究。温度(35±1)℃,以葡萄糖为底物进行厌氧生物制氢实验。结果表明Fe2+800mg/L时,比产氢率最高,积累产氢量最大。     

糖厂污泥中高效产氢菌的分离鉴定及产氢优化

从甘蔗糖厂污泥样品中,分离纯化得到一株革兰氏阳性厌氧产氢菌。经16S rDNA分子生物学鉴定,该菌株为Clostridium sp.60E(注册号:JF708079)。对该菌株生长及产氢特性的研究发现,其产氢主要发生在细胞生长对数期的中后期和稳定期。温度及pH值单因素实验显示,Clostridium sp.60E为一株中温产氢菌,有较好的耐酸能力。采用正交实验研究方法优化产氢条件,发现起始pH值为5,培养温度为35℃,碳源选择葡萄糖时,其总产氢量最高可达到(208±8.01)mL H2/100 mL培养基,比优化前提高了142%,产氢纯度最高达到55.32%,最高产氢速率为(188±8.72)mL H2/(L.h)、15.99 mmo(l H)2g(/dry cell.h)。以上研究表明,从糖厂污泥中筛选的Clostridium sp.60E是一株良好的厌氧发酵产氢菌,将其应用于废水处理,可以实现有机废水的高效制氢,是实现废水和有机废物资源化的一条有效途径。     

有机废水处理生物制氢技术

研究了利用有机废水发酵作用制取廉价氢气技术,并研制出厌氧活性污泥高效生物制氢反应器。以白脱糖、糖蜜和淀粉为供氢体,最大产氢能力达10.4m³H₂/m³反应器·d,发酵气中仅含48％H2和52％CO₂。该项技术已具有进一步开发价值。     

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.     

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.     

不同pH下糖蜜废水的厌氧产酸发酵类型及微生物群落结构解析

为寻求厌氧产酸发酵反应器的适宜控制参数和微生物学机制,以ACR(厌氧接触式发酵制氢反应器)为试验平台,通过分阶段调控反应器的pH,考察不同pH下ACR系统的产酸发酵类型和产氢性能,并采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术对微生物群落结构进行了解析.以糖蜜废水为基质,以城市污水厂剩余污泥为种泥,在污泥接种量(以MLVSS计)为3.58 g/L、进水ρ(COD_Cr)为5 000 mg/L、HRT为12 h条件下,分别考察了系统在pH为6.0～6.5、5.5～6.0、5.0～5.5、4.5～5.0条件下的运行特性.结果表明,在pH为4.5～5.0时,系统中以Ethanoligenens harbinense YUAN-3为代表的产氢菌群占优,呈现典型的乙醇型发酵特征,活性污泥表现出的产氢性能最佳,其氢气转化率和污泥的比产氢速率分别为1.9 mol/mol和7.8 mmol/(g·d).在pH为5.5～6.5、5.0～5.5的条件下,Clostridium tyrobutyricum strain A1-3、Propionibacterium sp.B2M2分别成为优势菌群,系统分别呈现出丁酸型发酵、混合酸发酵类型.研究显示,随着pH的改变,系统内的产酸发酵菌群随之发生更迭,在不同pH控制水平下形成不同的顶级微生物群落结构,进而使得系统呈现出不同发酵类型和产氢性能.      

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.     

不同湿热预处理条件对餐厨垃圾厌氧发酵产氢的影响

采用湿热水解技术处理餐厨垃圾,研究不同湿热预处理温度与时间下餐厨垃圾w(VS)(VS为挥发性固体)、ρ(CODs_Cr)(CODs为溶解性化学需氧量)、ρ(TOC)、ρ(TN)等指标的变化,以评价湿热预处理对餐厨垃圾厌氧产氢效能的影响. 在此基础上,结合厌氧产氢动力学分析,确定厌氧发酵产氢的最佳湿热预处理条件. 结果表明:湿热预处理温度、时间对餐厨垃圾可浮油脱出量、w(VS)具有显著影响. 餐厨垃圾湿热预处理后ρ(CODs_Cr)、ρ(TOC)、ρ(TN)变化情况与w(VS)呈负相关. 餐厨垃圾经90℃湿热预处理30min后,可浮油脱出量为37.5mL/kg,w(VS)/w(TS)为95.12%,最大比产氢量达242.1mL/g,最大产氢速率为12.46mL/h,累积产氢率达0.88mol/mol,厌氧产氢启动时间为12.85h. 说明对餐厨垃圾进行适度的湿热预处理可有效提高有机物溶解性与生物可利用效率,进而提高厌氧发酵累积产氢量与产氢速率. 综合能耗、产出等因素,湿热预处理温度90℃,处理时长30min,为餐厨垃圾厌氧发酵产氢的最佳湿热预处理条件.      

SSCP技术分析不同废水处理系统中微生物群落结构

为研究不同废水处理系统中微生物群落结构以及认识群落结构与系统处理效能的关系,采用单链构象多态性技术(SSCP)分别对稳定运行的脱氮除磷反应器(N),中药废水处理反应器(P),啤酒废水处理反应器(W),糖蜜废水发酵制氢反应器(H)以及硫酸盐还原反应器(S)等5种废水处理系统中的微生物群落结构进行了解析.结果表明,处理同种废水且状态均一的反应器中微生物群落结构相似性最大;微生物种群多样性与废水中的有机质复杂性成正相关,中药废水由于含有较复杂的有机质成分,种群多样性最高,而人工配水的处理系统由于营养成分单一,种群多样性较低;与模式群落中微生物SSCP条带比较显示,某些功能微生物类群在整个系统中相对数量并非占优势,发酵产氢菌Ethanologenbacterium sp.在状态良好的制氢反应器中相对含量仅占5%,而脱硫弧菌Desulfovibrio sp.在硫酸盐还原反应器中的相对比例小于1.5%.SSCP指纹图谱技术能够揭示不同处理系统中微生物群落结构的差别,并对这些工艺中的部分功能微生物进行监测,进而为提高反应器的运行效果提供有益的指导.     

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,pH≥10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p H值,发酵4d的VFAs浓度最高达(6681.47±126.82)mgCOD/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(nCST)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.     

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.     

ABR发酵系统运行特性及产氢效能研究

为解决连续流搅拌槽式反应器(CSTR)发酵制氢系统存在的不足,如单位基质氢气转化率低、因搅拌带来的耗能,抗负荷冲击能力不强等问题,开展了厌氧折流板反应器(ABR)发酵产氢的研究.结果表明,在35℃和进水COD 5000mg/L等条件下,ABR系统可在26d达到乙醇型发酵,其比产氢速率为0.13L/(gMLVSS·d),而在同样条件下, CSTR达到乙醇型发酵后,比产氢速率仅为0.06L/(gMLVSS·d).ABR通过生物相的分离,使产氢系统梯级利用有机物并达到深度产氢的目的.与CSTR相比,ABR具有较高的产氢活性、较低能源消耗等优点,是一种较为理想的有机废水发酵制氢反应设备.     

pH值对有机废水厌氧产酸发酵影响研究

利用厌氧污泥对有机废水的发酵产酸作用,考察pH值对系统产酸效果的影响,从而确定最佳的产乙酸pH值。结果表明:控制系统pH值在4.0~4.5的条件下,乙酸为主要末端发酵产物,厌氧污泥的产酸效果较好,且pH=4.3时效果最佳;而当进水碱度>300 mg/L,氧化-还原电位Eh在-250 mV时,可以保证乙醇型发酵的最佳pH值范围,获得理想的产酸效果。