造紙污泥厭氧發(fā)酵生物產(chǎn)氫研究

2010-11-27 02:39:54周少奇賴楊嵐

中國造紙 2010年1期

伍峰周少奇賴楊嵐

(華南理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東廣州,510640)

伍峰周少奇賴楊嵐

(華南理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東廣州,510640)

以實驗室造紙污泥堆肥腐熟肥為菌源、造紙污泥為底物進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫實驗。結(jié)果表明,造紙污泥經(jīng)超聲波預(yù)處理 40 min,添加 10 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.05%的三氯甲烷后,在 36.5℃,pH值 5.5～6.0條件下與實驗室造紙污泥堆肥腐熟肥按質(zhì)量比 2∶1進行混合厭氧發(fā)酵,累積產(chǎn)氫量 83.5 mL/g(揮發(fā)性固形物),H2濃度 51.0%～67.7%,有機物利用率 32.4%～43.8%。

造紙污泥;超聲波處理;厭氧發(fā)酵;生物產(chǎn)氫

造紙污泥是一種生物固體廢棄物,含有大量的纖維素類有機質(zhì)和氮、磷、鉀、鈣、鎂、硅、銅、鐵、鋅、錳等多種植物營養(yǎng)成分[1]。隨意棄置或未經(jīng)無害化處理在農(nóng)田上濫用,不僅會污染地下水資源,危害人體健康,而且?guī)砩鷳B(tài)危機[2]。目前,國內(nèi)外造紙污泥資源化利用的途徑主要有:生產(chǎn)新型建筑材料,土壤改良,造紙?zhí)盍?人造沸石,活性炭,回收熱量,污泥堆肥等。這些技術(shù)目前普遍存在成本高,效益差等問題,許多造紙廠都無法承受,不符合循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展原則和清潔生產(chǎn)要求。生物制氫具有能效高、清潔、反應(yīng)條件溫和等諸多優(yōu)點而成為近年來研究的熱點[3-5],其原材料來源廣泛,包括有機廢水、廚余物、市政污泥、造紙廠污泥、農(nóng)業(yè)廢棄物等。

本實驗結(jié)合超聲波技術(shù),在 pH值 11.2條件下對造紙污泥進行超聲波預(yù)處理后,調(diào)節(jié) pH值至 5.5～6.0,投加菌種,在中溫 (36.5℃)條件下進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫,為造紙污泥資源化探索出新的途徑。

1 實驗

1.1 污泥性質(zhì)及營養(yǎng)液組成

造紙污泥取自東莞某造紙廠生物濾池濃縮污泥,其性質(zhì):大腸桿菌 (E.coli.)4.55×108個 /mL;含濕率 80.9%;pH值 7.5;CODCr26928.5 mg/L;固體懸浮物 (SS)4.92 mg/L;揮發(fā)性固形物 (VS)43.7%。

常規(guī)營養(yǎng)液:NH4HCO350 mg/L;KH2PO427.8 mg/L;無機微量元素營養(yǎng)液:MgSO4·7H2O 24.6 mg/L,NaCl 11.7 mg/L,Na2MoO4·2H2O 12.1 mg/L,CaCl2·2H2O 7.4 mg/L,MnSO4·7H2O 13.4 mg/L,FeCl22.5 mg/L,ZnCl26.8 mg/L,NiCl26.4 mg/L。

1.2 菌源

實驗室造紙污泥堆肥腐熟肥含濕率約 43.7%～56.5%。使用前,菌源在紅外線快速干燥器中烘 0.5～1.5 h ,主要是抑制耗氫的產(chǎn)甲烷菌的生物活性和富集產(chǎn)氫菌。經(jīng)過一定時間的培養(yǎng)馴化,實驗室造紙污泥堆肥腐熟肥表現(xiàn)出較強的產(chǎn)氫能力。

1.3 實驗方法

稱取一定量的造紙污泥 m1(絕干,下同),溶解,將超聲波細胞粉碎機調(diào)整到功率 1800 W、頻率40 kHz后對造紙污泥進行超聲波預(yù)處理。冷卻后,添加實驗室造紙污泥堆肥腐熟肥 m2,適當(dāng)補充 N、P, 使 c(CODCr)∶c(N)∶c(P)=1000∶5∶1, 無機微量元素營養(yǎng)液 20 mL[7],添加 10 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.05%的三氯甲烷作為產(chǎn)甲烷菌抑制劑,用 N2吹掃反應(yīng)器中的O210 min,玻璃膠密封,在 36.5℃條件下進行厭氧發(fā)酵。通過自動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié) pH值至 5.5～6.0。定時測定生物氣產(chǎn)量,并分析生物氣中物質(zhì)成分,定時取上層發(fā)酵液分析液相發(fā)酵產(chǎn)物。

1.4 測定方法

以排飽和食鹽水法收集氣體,每天測定產(chǎn)氣量;氣體采用 GC-7900型氣相色譜儀、熱導(dǎo)檢測器(TCD)和氫焰檢測器 (F ID)檢測。H2采用 TCD檢測,2 m不銹鋼填充柱,填料為 5A分子篩,檢測器、汽化室和填充柱的溫度分別為 180℃、150℃和100℃,N2為載氣,流速 29 mL/min;CH4采用 F ID檢測,2 m不銹鋼填充柱,填料為 5A分子篩,檢測器、汽化室和填充柱的溫度分別為 210℃、200℃和220℃,H2為載氣,流速 28 mL/min,N2流速28 mL/min,空氣流速 210 mL/min;揮發(fā)性脂肪酸(乙酸、丙酸、丁酸)和乙醇采用 F ID檢測,檢測器、汽化室和填充柱的溫度分別為 220℃、200℃和230℃,H2為載氣,流速 30 mL/min,N2流速30 mL/min,空氣流速 270 mL/min。均采用外標(biāo)法定量,進樣量 10μL。CODCr采用回流法測定。纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量的測定方法參考文獻 [8]。采用傅里葉紅外光譜 (FT-IR)分析造紙污泥中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素結(jié)構(gòu)變化:將 1 mg造紙污泥與 400 mg KBr(光譜純)磨細混勻,壓成薄片用 FT-IR光譜儀測定并記錄其光譜,掃描波長范圍 400～4000 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲波預(yù)處理對累積產(chǎn)氫量的影響

根據(jù)前期超聲波破解市政污泥實驗效果對超聲波預(yù)處理時間進行修正,設(shè)定超聲波預(yù)處理時間分別為 25、30、35、40、45、50 min,250 g造紙污泥經(jīng)超聲波預(yù)處理冷卻后,投加 15 g實驗室造紙污泥堆肥腐熟肥,以確定最佳的超聲波預(yù)處理時間并實驗超聲波條件下污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫狀況。造紙污泥中 CODCr隨超聲波預(yù)處理時間的變化見圖1,超聲條件下造紙污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫狀況見圖2。從圖1可以看出,污泥中CODCr含量隨著超聲波預(yù)處理時間的延長而增加,但超聲處理超過 40 min后,CODCr含量增加緩慢。實驗監(jiān)測分析表明,污泥中糖類等低分子有機化合物含量增加,木質(zhì)素、纖維素等高分子物質(zhì)含量下降。由圖2可知,厭氧發(fā)酵 15天時,樣品 b、c、d累積產(chǎn)氫量均比樣品 a的高,樣品 c累積產(chǎn)氫量最大,經(jīng)換算后樣品 c產(chǎn)氫量為 70.9 mL/g(VS)。研究認(rèn)為,這與污泥中有機物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和超聲波作用相關(guān)。造紙污泥中主要成分是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及其衍生物和一些有機物,纖維素分子以氫鍵構(gòu)成平行的微晶束,氫鍵數(shù)量多,微晶束結(jié)合牢固[9]。但在超聲波作用下,纖維素等高分子有機物在熱點發(fā)生化學(xué)鍵斷裂,水相燃燒,高溫分解,超臨界水氧化,自由基氧化等反應(yīng)而分解成低分子有機物[10-15]。FT-I R分析也顯示,造紙污泥的特征峰發(fā)生變化,超聲波預(yù)處理破壞了纖維素的無定形區(qū)和降解了半纖維素,產(chǎn)氫菌對纖維素的結(jié)晶區(qū)有破壞作用。同時發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中的 C—O鍵數(shù)目減少,苯環(huán)極化作用減弱[16],這是由于超聲波產(chǎn)生的系列刺激效應(yīng)破壞了木質(zhì)素網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)。因此,超聲波作用可使造紙污泥中的難降解有機物降解成易被生物降解的有機物,為產(chǎn)氫菌提供了豐富的碳源,產(chǎn)氫量增加。樣品 d雖經(jīng)過 50 min的超聲波預(yù)處理,液相中的 CODCr含量大于樣品 c的,但 pH值監(jiān)測結(jié)果表明,樣品 d在發(fā)酵過程中酸化,導(dǎo)致 pH值 (小于 5.0)下降,氧化還原電位升高,脫氫酶活性受到抑制,產(chǎn)氫菌產(chǎn)氫能力降低,累積產(chǎn)氫量比樣品 c的低。因此,實驗選擇超聲波預(yù)處理時間 40 min。

2.2 底物濃度對累積產(chǎn)氫量的影響

超聲波預(yù)處理 40 min,厭氧發(fā)酵 15天時,底物濃度對日產(chǎn)氫量和累積產(chǎn)氫量的影響分別見圖3和圖4。由圖3和圖4可知,在 6個發(fā)酵樣品中,污泥日產(chǎn)氫量均經(jīng)歷了一個先增加后降低的過程,樣品 e累積產(chǎn)氫量最大。實驗中觀察到樣品 b、c、d、e、f分別在第 1天均有氣體產(chǎn)生,樣品 a第 3天才有少量氣體產(chǎn)生,6個發(fā)酵樣品在第 15天產(chǎn)氫量都接近 0,此時產(chǎn)氫結(jié)束。樣品 e的累積產(chǎn)氫量明顯高于樣品 a、b、c、d、f,說明適當(dāng)增加菌種投加量對提高產(chǎn)氫量有利。反應(yīng)結(jié)束,經(jīng)色譜分析得知,樣品 a、b、c、d、e、f的含氫率分別為 46%、47%、44%、48%、55%、52%,并且均未檢測到甲烷。認(rèn)為主要原因有兩個方面:①造紙污泥堆肥中含有產(chǎn)酸產(chǎn)氫菌和產(chǎn)甲烷菌,菌源在紅外線快速干燥器中烘 0.5～1.5 h,非孢子型的產(chǎn)甲烷菌由于不能適應(yīng)這種環(huán)境而失活,而可形成孢子的產(chǎn)酸產(chǎn)氫菌能夠轉(zhuǎn)化為孢子而存活下來。造紙污泥經(jīng)超聲波預(yù)處理 40 min和添加 10 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.05%三氯甲烷作為抑制劑[17],產(chǎn)甲烷菌失活,而產(chǎn)酸產(chǎn)氫菌形成了孢子,影響不大,故在產(chǎn)氫過程中不會產(chǎn)生甲烷。②當(dāng) m1∶m2=2∶1時,揮發(fā)性脂肪酸與 CODCr質(zhì)量濃度比大于 0.3,形成良好的可生化環(huán)境,有利于厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫。底物濃度過大,將導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸的積累,脫氫酶活性受到抑制,菌種間的協(xié)同作用降低,共代謝能力減弱,不利于產(chǎn)氫菌產(chǎn)氫。發(fā)酵前期,樣品 b、c底物濃度大,厭氧發(fā)酵時造成有機酸的大量積累,表現(xiàn)為 pH值下降,氧化還原電位升高 (>-274.9 mV),產(chǎn)氫量下降。而且隨著底物濃度的提高,反應(yīng)器中的氫分壓也相應(yīng)增大,過高的氫分壓不利于氫氣的生成且會轉(zhuǎn)換產(chǎn)氫菌的代謝途徑,即產(chǎn)酸產(chǎn)氫發(fā)酵途徑轉(zhuǎn)至產(chǎn)醇的發(fā)酵途徑。樣品 d、e、f由于添加了較多的實驗室造紙污泥堆肥腐熟肥,實驗室造紙污泥堆肥腐熟肥中的銨態(tài)氮對有機酸具有緩沖作用,pH值變化平緩[18],同時實驗室造紙污泥堆肥腐熟肥中含有大量易分解的有機物[19],且通過分散-耦合-并行系統(tǒng)轉(zhuǎn)移中間產(chǎn)物將產(chǎn)氫菌的抑制作用降至最低,提高了酶的利用率[20-21]。因此,在反應(yīng)初期,樣品 d、e、f日產(chǎn)氫量和累積產(chǎn)氫量均比樣品 a、b、c高。由實驗結(jié)果得到,當(dāng) m1∶m2=2∶1,超聲波預(yù)處理 40 min時,造紙污泥發(fā)酵產(chǎn)氫的有機物利用率為 32.4%～43.8%,累積產(chǎn)氫量 83.5 mL/g(VS),氫氣濃度 51.0%～67.7%。

2.3 厭氧發(fā)酵時間對累積產(chǎn)氫量的影響

由圖3可知,日產(chǎn)氫量隨發(fā)酵時間的變化可分為4個階段:產(chǎn)氫延遲、開始產(chǎn)氫、持續(xù)產(chǎn)氫和產(chǎn)氫衰減。通過降落式 PCR擴增、DGGE電泳和對每個重新擴增條帶的 16S rDNA片段進行克隆和序列測定及將所得的序列片段在 GenBank數(shù)據(jù)庫進行同源性分析和檢索表明,反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)氫菌群落結(jié)構(gòu)和種群數(shù)量處于動態(tài)變化中,直到形成了頂級優(yōu)勢群落。在產(chǎn)氫延遲段 (0～19.5 h),反應(yīng)器剛啟動,產(chǎn)氫菌處于馴化、培育期,混合菌群逐步適應(yīng)新的生態(tài)環(huán)境,此時優(yōu)勢菌群主要是 Clostridium sp.,Acidovorax sp.,Kluyvera sp.等,該過程中沒有氫氣產(chǎn)生;21～28 h后,產(chǎn)氫菌之間形成共代謝和協(xié)同效應(yīng),在營養(yǎng)物質(zhì)充足的條件下,以有機物為碳源進行代謝,產(chǎn)氫菌得到快速強化[22],逐步形成穩(wěn)定的頂級優(yōu)勢產(chǎn)氫菌群,產(chǎn)氫效率提高。通過鏡檢觀察證實,細胞生長良好,此時有氫氣生成,隨著時間的延長,產(chǎn)氫量也逐漸增加,反應(yīng)進行到約 27 h后進入持續(xù)產(chǎn)氫段。31～40 h產(chǎn)氫速率達到最大值 (242 mL/d)。經(jīng)過 16S r DNA序列分析證實,此時菌群主要是 clostridium,Bacteroides,Peptococcus等,其次是 Fusobacterium,Leptotrichia, Zym om onas, Aerom onas, RhodospirilliUm,Veillonella,Leptotrichia。49 h后,隨著有機物耗盡,細菌因缺乏營養(yǎng)物質(zhì)而利用儲存物質(zhì)進行內(nèi)源呼吸,死菌數(shù)大于新生菌數(shù),細菌群體進入衰亡期,產(chǎn)氫速率逐漸下降,直至反應(yīng)結(jié)束。

2.4 液相產(chǎn)物分析

當(dāng) m1∶m2=2∶1,超聲波預(yù)處理 40 min時,底物中揮發(fā)性脂肪酸和醇的變化情況見表1。由表1可知,在發(fā)酵初期,液相反應(yīng)體系中檢測到的揮發(fā)性脂肪酸和乙醇含量較低。進入產(chǎn)氫高峰期,乙酸、丙酸、丁酸含量達到最大值。產(chǎn)氫結(jié)束,乙醇含量達到最大值,乙酸、丙酸、丁酸含量有所下降。實驗還發(fā)現(xiàn),在產(chǎn)氫高峰期,揮發(fā)性脂肪酸含量與產(chǎn)氫遲緩期有直接對應(yīng)關(guān)系,產(chǎn)氫遲緩期短,揮發(fā)性脂肪酸含量高,產(chǎn)氫遲緩期長,揮發(fā)性脂肪酸含量低。根據(jù)以往的研究結(jié)果顯示,該發(fā)酵產(chǎn)氫類型不屬于丁酸型發(fā)酵或乙醇型發(fā)酵,而是混合酸型發(fā)酵產(chǎn)氫。根據(jù)乙醇與揮發(fā)性脂肪酸沸點的差異,采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸餾得到乙醇。經(jīng)氣相色譜檢測分析,收集到的乙醇濃度達71.7%以上。

表1 揮發(fā)性脂肪酸和醇的變化 mg/L

3 結(jié) 論

以實驗室造紙污泥堆肥腐熟肥為菌源,造紙污泥為底物進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫。

3.1 造紙污泥經(jīng)超聲波預(yù)處理 40 min,添加 10 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.05%的三氯甲烷后,在溫度 36.5℃,pH值 5.5～6.0條件下與實驗室造紙污泥堆肥腐熟肥按質(zhì)量比 2∶1混合厭氧發(fā)酵,累積產(chǎn)氫量為 83.5 mL/g(揮發(fā)性固形物),氫氣濃度為 51.0%～67.7%,有機物利用率為 32.4%～43.8%,未檢測到甲烷。

3.2 該厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫屬于混合酸型發(fā)酵產(chǎn)氫,發(fā)酵副產(chǎn)物中檢測到乙醇、乙酸、丙酸、丁酸和丁醇,乙醇濃度大于 71.7%。

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Biological Hydrogen Production from Anaerobic Fermentation of Papermak ing Sludge

WU Feng ZHOU Shao-qi＊LA I Yang-lan
(College of Environm ental Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640)

In this exper iment anaerobic fermentation was performed in an anaerobic reactor at the optimal condition of pH 5.5～6.0 and 36.5℃,using papermaking sludge as substrate and compost from paper making sludge in laboratory as bacteria source.The papermaking sludge was pretreated by ultrasonic for 40 min and 0.05%chloroform was added.The papermaking sludge and compost were mixed in the ratio of 2∶1.The exper imental result showed that the total hydrogen yield was 83.5 mL/g(volatile solid,VS),hydrogen concentration was 51.0%～67.7%,the utilization of organic materialwas 32.4%～43.8%,no methane was detected.

papermaking sludge;ultrasonic treatment;anaerobic fer mentation;biological hydrogen production

TS793

0254-508X(2010)01-0039-04