pH對發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷活性抑制及產(chǎn)氫強(qiáng)化

李建政，蘇曉煜，昌 盛，張立國，于 澤

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，150090哈爾濱;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，150090哈爾濱)

有機(jī)廢水發(fā)酵生物制氫系統(tǒng)是混合微生物系統(tǒng)(厭氧活性污泥系統(tǒng))［1-3］，產(chǎn)甲烷菌的存在及其耗氫作用對于其產(chǎn)氫效能的發(fā)揮非常不利［4-5］.產(chǎn)甲烷菌具有代時(shí)長、對環(huán)境變化敏感等特征，其適宜的pH為6.4～7.2［4］，因此，可通過控制反應(yīng)系統(tǒng)的污泥齡(SRT)、pH等方式，抑制乃至淘汰其中的產(chǎn)甲烷菌，以保障發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)氫效能.現(xiàn)有的研究報(bào)道大都采用控制系統(tǒng)啟動(dòng)條件的方法，通過污泥預(yù)處理以及污泥馴化達(dá)到淘汰接種污泥中產(chǎn)甲烷菌的目的［6-8］.關(guān)于如何應(yīng)對發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的產(chǎn)甲烷現(xiàn)象，以及如何通過調(diào)控實(shí)現(xiàn)甲烷發(fā)酵系統(tǒng)向產(chǎn)氫發(fā)酵系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變還少見報(bào)道.本文以連續(xù)流攪拌槽式反應(yīng)器(CSTR)的啟動(dòng)運(yùn)行為基礎(chǔ)，在建立具有顯著甲烷發(fā)酵特征系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)pH的方法，探討了具有顯著甲烷發(fā)酵特征的有機(jī)廢水厭氧發(fā)酵系統(tǒng)向發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的可行性及其運(yùn)行特性，以期為發(fā)酵制氫系統(tǒng)運(yùn)行的工程控制提供指導(dǎo).

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

連續(xù)流實(shí)驗(yàn)裝置及流程如圖1所示，其中主體反應(yīng)器采用的是改進(jìn)的CSTR［9］，由有機(jī)玻璃制成，有效容積為15 L，沉淀區(qū)為7.5 L，采用將電熱絲纏繞在反應(yīng)器外壁上的方式加熱，并通過溫控儀將反應(yīng)系統(tǒng)的溫度控制在(35±1)℃.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及工藝流程

1.2 實(shí)驗(yàn)廢水

實(shí)驗(yàn)廢水采用甜菜制糖廠的廢糖蜜加水稀釋而成，配水時(shí)投加少量NH4Cl和KH2PO4，使廢水ρ(COD)∶ρ(N)∶ρ(P)=200～500∶5∶1左右.

1.3 反應(yīng)器的運(yùn)行與控制

在本研究開始前，所采用的CSTR已經(jīng)啟動(dòng)運(yùn)行了近90 d，并在HRT 8 h、進(jìn)水COD質(zhì)量濃度7 000 mg/L、pH 7、(35±1)℃等條件下達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，產(chǎn)氣量在19 L/d左右，其甲烷體積分?jǐn)?shù)為35%.采用調(diào)節(jié)進(jìn)水堿度的方法(通過投加NaHCO3控制)調(diào)控CSTR系統(tǒng)內(nèi)的pH.根據(jù)進(jìn)水堿度控制水平的不同，CSTR的控制運(yùn)行依次分為4個(gè)階段，其進(jìn)水堿度(以CaCO3計(jì))分別為2 800～3 200，900～1 400，600～800和200～350 mg/L，對應(yīng)的pH分別為6.5～7.2、6.0～6.5、5.0～6.0和4.0～5.0.每一次運(yùn)行條件的改變均在上一階段達(dá)到運(yùn)行穩(wěn)定后進(jìn)行.其中，進(jìn)水COD、HRT、溫度等均保持不變.

1.4 分析項(xiàng)目和方法

pH、堿度、COD、SS和VSS等常規(guī)監(jiān)測項(xiàng)目采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定［10］，產(chǎn)氣量由濕式氣體流量計(jì)計(jì)量.包括乙酸、丙酸、丁酸、乳酸和戊酸在內(nèi)的揮發(fā)性有機(jī)酸(VFAs)以及乙醇的檢測分析采用SP-6890型氣相色譜儀(山東魯南瑞虹化工儀器有限公司)測定.發(fā)酵氣體的組分采用SP-6801T型氣相色譜儀(山東魯南瑞虹化工儀器有限公司)分析［11］.

2 結(jié)果與分析

2.1pH和堿度

通過進(jìn)水堿度的控制實(shí)現(xiàn)CSTR反應(yīng)系統(tǒng)pH的改變是本研究的基本調(diào)控策略，調(diào)控運(yùn)行期間的進(jìn)出水pH及相應(yīng)堿度變化如圖2所示.在調(diào)控運(yùn)行的第1階段(前16 d)，CSTR進(jìn)水堿度控制為2 800～3 200 mg/L，反應(yīng)體系的pH穩(wěn)定在7左右，堿度穩(wěn)定在3 600～3 900 mg/L，系統(tǒng)的甲烷發(fā)酵特征得到進(jìn)一步鞏固和穩(wěn)定［4］.在第2運(yùn)行階段(第17～第24天)，進(jìn)水堿度減小為900～1 400 mg/L，將反應(yīng)系統(tǒng)的pH控制在6.0～6.5，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，出水堿度為1 150 mg/L左右.從第25天開始CSTR的運(yùn)行進(jìn)入第3階段(第25～第34天)，進(jìn)水堿度降低為600～800 mg/L，系統(tǒng)的pH被調(diào)整為5.5左右，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，反應(yīng)器出水堿度保持在700～900 mg/L.第35天以后為反應(yīng)器運(yùn)行的第4階段(第35～第50天)，在停止投加NaHCO3的情況下，進(jìn)水仍有200～350 mg/L的堿度，反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定后，出水pH和堿度分別維持在4.0～5.0和250～500 mg/L.

圖2 進(jìn)出水pH和堿度的變化

2.2 產(chǎn)氣量和氣體組分

圖3為CSTR在pH調(diào)控運(yùn)行期間表現(xiàn)出的產(chǎn)氣量和氣體組分變化.在pH控制為7左右的第1運(yùn)行階段，CSTR保持穩(wěn)定運(yùn)行，其產(chǎn)氣率和甲烷體積分?jǐn)?shù)分別平均為19 L/d和31%，而氫氣體積分?jǐn)?shù)不足3%.當(dāng)pH降低到6.0～6.5運(yùn)行時(shí)(第2運(yùn)行階段)，系統(tǒng)的產(chǎn)氣速率及甲烷體積分?jǐn)?shù)受到顯著影響，迅速下降至5 L/d和10%左右，但氫氣體積分?jǐn)?shù)變化甚微.分析認(rèn)為，pH下降后，反應(yīng)體系內(nèi)的產(chǎn)甲烷作用受到了一定程度的抑制，導(dǎo)致發(fā)酵氣產(chǎn)量和甲烷體積分?jǐn)?shù)的降低;而氫氣體積分?jǐn)?shù)并不顯著增加的事實(shí)則表明產(chǎn)酸發(fā)酵菌群的活性并未伴隨產(chǎn)甲烷活性的降低而增強(qiáng).當(dāng)系統(tǒng)的pH繼續(xù)降低到5.0～6.0的范圍時(shí)(第3運(yùn)行階段)，其產(chǎn)氣速率表現(xiàn)出上升趨勢，發(fā)酵氣中的甲烷很快降低到了不能檢出的程度(第27天后)，氫氣體積分?jǐn)?shù)則稍有增加，表明系統(tǒng)內(nèi)的產(chǎn)酸發(fā)酵菌活性有所增強(qiáng).在pH為4.0～5.0的第4運(yùn)行階段(第35天后)，CSTR的產(chǎn)氣速率和氫氣體積分?jǐn)?shù)均表現(xiàn)出了迅速增加趨勢，在第40天產(chǎn)氣速率達(dá)到峰值28.8 L/d，之后穩(wěn)定在26 L/d左右，氫氣體積分?jǐn)?shù)也穩(wěn)定在42%～47%這一水平.

圖3 產(chǎn)氣速率和氣體組分的變化

2.3 液相發(fā)酵產(chǎn)物

在甲烷發(fā)酵系統(tǒng)中，大分子有機(jī)物首先在產(chǎn)酸發(fā)酵菌群的代謝作用下水解并進(jìn)一步產(chǎn)生VFAs和乙醇等小分子有機(jī)物，這些揮發(fā)性代謝產(chǎn)物只有經(jīng)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群的作用，轉(zhuǎn)化為乙酸和H2/CO2之后才能被產(chǎn)甲烷菌群利用并產(chǎn)生甲烷［12］.而乙醇、丙酸和丁酸等的產(chǎn)乙酸反應(yīng)受控于系統(tǒng)的氫分壓(pH2)，只有pH2較低時(shí)反應(yīng)才能順利進(jìn)行，隨著pH2升高，丙酸、丁酸和乙醇的產(chǎn)乙酸代謝將依次受到抑制［13］．產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸反應(yīng)需要的低pH2條件，是通過系統(tǒng)中存在的產(chǎn)甲烷菌、同型產(chǎn)乙酸菌以及硫酸鹽還原菌等耗氫菌群的代謝作用得以維系，尤其是產(chǎn)甲烷菌群的優(yōu)勢代謝作用［13］．

在CSTR調(diào)控運(yùn)行之初(圖4)，盡管甲烷發(fā)酵特征顯著(圖3)，出水中殘留的揮發(fā)性產(chǎn)物總量仍達(dá)2 105 mg/L左右，其中丙酸和乙酸分別占到總量的31%和57%.較多丙酸的殘留，說明系統(tǒng)中產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群的功能不足.當(dāng)CSTR在pH 6.5～7.2下開始第1階段的調(diào)控運(yùn)行后，系統(tǒng)中的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸作用得到了逐步加強(qiáng)，表現(xiàn)為丙酸質(zhì)量濃度在3 d后呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，而乙酸質(zhì)量濃度則遞增明顯(圖4).在該階段，產(chǎn)甲烷菌群的功能雖然也得到了一定程度的加強(qiáng)，甲烷產(chǎn)量有所上升(圖3)，但大量乙酸的殘余(圖4)則指示著產(chǎn)甲烷菌群的功能不足.當(dāng)系統(tǒng)的pH下調(diào)到6.0～6.5后，產(chǎn)甲烷菌群的活性受到了顯著抑制，發(fā)酵氣的產(chǎn)量及其甲烷體積分?jǐn)?shù)同步大幅下降，而氫氣體積分?jǐn)?shù)開始呈現(xiàn)增加趨勢(圖3);在該階段，液相發(fā)酵產(chǎn)物迅速下降，其組成也發(fā)生了顯著改變，其中，乙酸和丙酸產(chǎn)量迅速下降，乳酸幾乎消失，而乙醇質(zhì)量濃度大幅增加，說明pH下降導(dǎo)致了產(chǎn)酸發(fā)酵菌群的結(jié)構(gòu)及功能變化.在第3運(yùn)行階段(pH 5.0～6.0)，產(chǎn)酸發(fā)酵菌群的活性得到恢復(fù)，揮發(fā)性發(fā)酵產(chǎn)物總量迅速增加.當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，液相發(fā)酵產(chǎn)物仍以乙酸(652 mg/L)為主，占發(fā)酵產(chǎn)物總量的36%，其他各組分分布相當(dāng)，呈現(xiàn)明顯的混合酸發(fā)酵特性.當(dāng)系統(tǒng)的pH進(jìn)一步調(diào)整為4.0～5.0后，液相發(fā)酵產(chǎn)物中的乙醇質(zhì)量濃度迅速上升并于第40天穩(wěn)定在1 257 mg/L左右，而丙酸質(zhì)量濃度迅速下降至46 mg/L.系統(tǒng)中乙酸、丁酸質(zhì)量濃度基本不變，戊酸消失.以上結(jié)果表明，隨著pH的逐級遞減，CSTR系統(tǒng)內(nèi)的微生物菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生了演替，表現(xiàn)為液相發(fā)酵產(chǎn)物比例分布的變化.

圖4 液相發(fā)酵產(chǎn)物的變化

值得注意的是，任南琪等［14］的研究表明，當(dāng)pH為6.0～6.5，CSTR發(fā)酵系統(tǒng)呈現(xiàn)丁酸型發(fā)酵，具有較好的產(chǎn)氫特性.在相同的pH條件下，本研究卻未能觀測到丁酸型發(fā)酵的發(fā)生，發(fā)酵氣中氫氣體積分?jǐn)?shù)也不足3%.另外，在pH為5.0～6.0的運(yùn)行狀態(tài)下，雖然系統(tǒng)呈現(xiàn)的是混合酸發(fā)酵特征，但液相產(chǎn)物以乙酸為主，而氫氣產(chǎn)率卻仍然保持在很低的水平(圖3).這一結(jié)果與文獻(xiàn)［14］存在較大差異.分析認(rèn)為，這種差異可能與接種污泥的初始狀態(tài)有關(guān).在文獻(xiàn)［14］的研究中，反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行之初，產(chǎn)酸發(fā)酵菌群即為系統(tǒng)中的優(yōu)勢微生物，而本文的CSTR，在pH調(diào)控運(yùn)行之初則表現(xiàn)為甲烷發(fā)酵特性，微生物系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜.當(dāng)pH降低到5.0～6.0時(shí)，盡管系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷耗氫作用受到了抑制，但諸如同型產(chǎn)乙酸菌等其他耗氫菌種的存在，仍會(huì)造成氫氣產(chǎn)量的損失.

2.4 污泥的活性

對于厭氧生物處理系統(tǒng)而言，有機(jī)廢水的COD主要是通過產(chǎn)甲烷作用得以去除［12］.由表1可以看出，在CSTR系統(tǒng)的調(diào)控運(yùn)行過程中，隨著堿度和pH的逐步下降(圖2)，其COD去除率也由第1階段的20%左右逐步下降到4%左右，這主要與系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷活性被逐步抑制有關(guān).隨著系統(tǒng)堿度和pH的逐步下降(圖2)，活性污泥微生物的群體代謝特征也隨之發(fā)生變化(圖3、4).其中，一些微生物不能適應(yīng)變化了的環(huán)境而喪失活性并隨水流失，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的生物量逐漸遞減(表1).在CSTR調(diào)控運(yùn)行的第1階段，反應(yīng)器保持了顯著的甲烷發(fā)酵特征，在穩(wěn)定期(第10～第16天)的生物量(以VSS計(jì))為9.30 g/L，活性污泥的產(chǎn)甲烷活性平均為0.61 L/(g·d)，而產(chǎn)氫活性很低，僅為0.017 L/(g·d)左右.在第2階段，當(dāng)系統(tǒng)的pH被調(diào)整到6.0～6.5后，活性污泥受到了非常顯著的影響，生物量、產(chǎn)甲烷活性以及產(chǎn)氫活性分別大幅降到7.16 g/L、0.05 L/(g·d)和0.006 L/(g·d).當(dāng)系統(tǒng)的pH降到5.0～6.0后(第3運(yùn)行階段)，生物量進(jìn)一步降低為6.43 g/L，產(chǎn)甲烷活性得到完全抑制，產(chǎn)氫活性則提升到0.17 L/(g·d).在運(yùn)行的第4階段(pH 4.0～5.0)，產(chǎn)酸發(fā)酵菌群得到充分富集，生物量增加到6.84 g/L，其比產(chǎn)氫速率達(dá)1.67 L/(g·d)，發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)最終得以確立.

表1 CSTR在4個(gè)運(yùn)行階段穩(wěn)定期的生物量及污泥活性

3 結(jié)論

1)具有甲烷發(fā)酵特征的CSTR有機(jī)廢水厭氧生物處理系統(tǒng)，通過逐級降低系統(tǒng)pH的調(diào)控方法，可逐步抑制產(chǎn)甲烷活性并建立發(fā)酵產(chǎn)氫為特征的產(chǎn)酸發(fā)酵體系.在pH 4.0～5.0下，產(chǎn)甲烷活性被完全抑制，發(fā)酵氣中氫氣體積分?jǐn)?shù)平均為45%，活性污泥的比產(chǎn)氫活性達(dá)1.67 L/(g·d).

2)pH的逐步降低抑制了產(chǎn)甲烷菌群的活性，產(chǎn)酸發(fā)酵菌群的代謝特征也隨之發(fā)生了改變.當(dāng)pH下降到4.0～4.5后，發(fā)酵產(chǎn)物中乙醇和乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和約為89%，呈現(xiàn)為典型的乙醇型發(fā)酵.

3)產(chǎn)甲烷作用是厭氧生物處理系統(tǒng)COD去除率的主要貢獻(xiàn)者，隨著pH的逐步降低和產(chǎn)甲烷菌群活性的抑制，CSTR系統(tǒng)的COD去除率大幅下降，在pH 4.0～5.0條件下形成穩(wěn)定的乙醇型發(fā)酵后，僅為4%左右.

［1］WILLIAM P B，DAVID C S.The use of the anaerobic baffled reactor(ABR)for wastewater treatment:a review［J］.Wat Res，1999，33(7):1559-1578.

［2］任南琪，王愛杰，馬放.產(chǎn)酸發(fā)酵微生物生理生態(tài)學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2005:135-154.

［3］DAVILA-VAZQUEZ G，COTA-NAVARRO C B，ROSALES-COLUNGA L M，et al．Continuous biohydrogen production using cheese whey:improving the hydrogen production rate［J］.Int J Hydrogen Energy，2009，34:4296-4304.

［4］錢澤澎，閔航.沼氣發(fā)酵微生物學(xué)［M］.浙江:浙江科學(xué)技術(shù)出版社，1986:146.

［5］任南琪，李永峰，李建政，等.中國發(fā)酵法生物制氫技術(shù)研究進(jìn)展［J］.化工學(xué)報(bào)，2004，55:7-13.

［6］WU Xiao，YAO Wanying，ZHU Jun.Effect of pH on continuous biohydrogen production from liquid swine manure with glcouse supplement using an anaerobic sequencing batch reactor［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2010(35):6592-6599.

［7］李建政，張妮，李楠，等.HRT對發(fā)酵產(chǎn)氫厭氧活性污泥系統(tǒng)的影響［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，38(11):1840-1843.

［8］ZHANG Zhenpeng，SHOW K Y，TAY J H，et al．Effect of hydraulic retention time on biohydrogen production and anaerobic microbial community［J］.Process Biochemistry，2006，41:2118-2123.

［9］李建政，葉菁菁，王衛(wèi)娜，等.制糖廢水CSTR甲烷發(fā)酵系統(tǒng)的污泥馴化與運(yùn)行特性［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2008(26):55-60.

［10］國家環(huán)保局編.水和廢水監(jiān)測分析方法［M］.4版.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002:254-256.

［11］李建政，王衛(wèi)娜，馬超，等.丁酸甲烷發(fā)酵優(yōu)勢菌群的選育及其丁酸降解特性［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2008，26(11):49-52.

［12］ALFONS J M S，CAROLINE M P.Electron transfer in syntrophic communities of anaerobic bacteria and archaea［J］.Nature Reviews Microbiology，2009，7:568-577.

［13］INANC B，MASTER S，IDE S.Propionic acid accumulation and controlling factors in anaerobic treatment of carbohydrate:effects of H2and pH［J］.Wat Sci Tech，2006，34:317-325.

［14］宋佳秀，任南琪，安東，等.產(chǎn)酸相發(fā)酵類型的制氫轉(zhuǎn)化規(guī)律及比較［J］.凈水技術(shù)，2006，25(6):55-59.