厭氧發酵產氫關鍵影響因素考察與優化

李 超，李鑫鋼，2，隋 紅，2*

（1.天津大學化工學院，天津 300072；2.精餾技術國家工程研究中心，天津 300072）

隨著社會的發展和科技的進步，化石燃料的大量使用造成的環境污染和能源危機問題日益嚴重，世界各國均著力開發清潔的可再生能源。氫能因其能量密度高、清潔無污染和熱轉化效率高的優點，被認為是最理想的礦石燃料替代能源[1]。生物制氫是一種新型的制氫方法，是把自然界中水或有機物中的能量通過產氫菌的作用轉化為氫氣，是微生物自身新陳代謝的作用，反應在常溫常壓的溫和條件下進行，同時可以將各種工農廢棄物、廢水作為反應原料，實現廢物利用和能源生產的雙重作用。與傳統的制氫方法相比，生物發酵制氫以其環境友好和產氫穩定性高等優勢成為一種新興的氫氣生產技術[2]。厭氧發酵產氫可利用的發酵底物很廣泛，利用工廠的含糖廢水（如制糖廠、啤酒廠等）、造紙廠富含纖維素廢水、面粉廠廢水、廚余垃圾等作為發酵底物進行厭氧發酵制氫均有文獻報道。發酵產氫的菌種從最初的純菌發展到現在被廣泛使用的厭氧活性污泥和動物糞便堆肥等混合菌種，既消除了純菌的雜菌污染問題，且來源方便降低產氫成本。但是厭氧發酵制氫會受到各種環境和實驗條件因素的影響，如發酵液 pH值[3-4]及含量[5-9]、菌種來源及與處理方式等[10-12]，而并沒有文獻對厭氧發酵產氫的主要影響因素進行全面研究分析。因此，本研究對影響厭氧發酵制氫的主要因素進行系統地研究討論，確定其影響效果，最終得到較適宜的產氫條件，實現提升產氫效率的目標。

1　實驗部分

1.1　接種污泥

本研究采用厭氧活性污泥作為混合菌種，污泥取自天津市某污水處理廠。取回污泥后，在4℃下進行冷藏保存待用。污泥 pH值為6.3，懸浮固體（SS）和揮發性懸浮固體（VSS）的含量分別為84.8%和8.2%。

1.2　模擬廢水組成

模擬含糖廢水的組成（g/L）為：葡萄糖：20，（NH4）2SO4：1.00 ～8.00，KH2PO4：1.50，CoCl2·6H2O：0.20，FeSO4：0 ～0.30，CaCl2·2H2O：0.10，MnCl2·6H2O：0.10，ZnCl2：0.05，Na2MoO4：0.01，Mg-SO4：0 ～0.05，NiCl2·6H2O：0.01。

1.3　單因素實驗

利用單因素實驗方法考察厭氧活性污泥熱處理溫度和時間、發酵液初始 pH值及和Mg2+濃度對發酵產氫的影響。氫氣產率定義為1 mol葡萄糖所對應的氫氣的物質的量，mol/mol。

在考察某一影響因素時，其他因素的設定值分別為：熱處理溫度90℃、熱處理時間20 min、初始pH值： 8.0、 （NH4）2SO4、FeSO4和 MgSO4的濃度為2.00、0.20和0.01 g/L。在每一組單因素實驗中，在保持其他因素取值不變的情況下改變所研究變量的取值。

在250 mL錐形瓶中加入15 g熱處理過的厭氧活性污泥作為混合菌種和200 mL模擬廢水作為發酵底物，在調節發酵液初始pH值后用N2排除錐形瓶中的空氣，以形成厭氧環境，然后用膠塞密封錐形瓶口并置于35℃的恒溫水浴振蕩器中進行厭氧發酵產氫，通過橡膠管將產生的氣體導入進鋁箔氣袋中。進行3組平行試驗以降低實驗誤差。

1.4　檢測方法

厭氧發酵產生氣體的組成通過Perkin Elmer XL型號的氣相色譜儀進行檢測，配備熱導池檢測器，不銹鋼色譜柱柱長2.0 m，直徑3 mm，填充TDX-01（80/100目）；進樣口溫度、柱溫、檢測器溫度分別為80、170和170℃；氮氣作載氣，氣速25 mL/min。液相末端發酵產物（VFAs）的含量通過Shimadzu型氣相色譜儀進行測定，氫火焰檢測器，使用FFAP極性柱，柱長30 m，直徑0.32 mm；進樣口和檢測器溫度均為250℃；采用程序升溫：最初50℃保持2 min，然后以5℃/min的升溫速率升至200℃，最后在200℃保持10 min。采用國家標準方法測量厭氧活性污泥懸浮固體（SS）和揮發性懸浮固體（VSS）[13]。使用pHS-3C型酸度計測量發酵液末態pH值。產出的氣體收集到鋁箔材料的集氣袋中，通過排水法測量氣體體積，然后再換算成標準體積。

2　結果與討論

2.1　污泥熱處理溫度和時間對厭氧發酵產氫的影響

對活性污泥進行加熱處理，以抑制或殺死非產氫菌和耗氫菌，而產氫菌（梭菌、革蘭氏陽性菌、芽孢桿菌和棒桿菌等）能形成芽孢從而活性不受影響[14-16]。

在研究熱處理溫度對厭氧發酵產氫的影響時，在70～100℃間每增長5℃設置考察點，其他影響因素分別設定為：熱處理時間20 min、初始pH值為8.0、 （NH4）2SO4、FeSO4和 MgSO4的濃度為 2.00、0.20和0.01 g/L（在研究其他影響因素時，熱處理溫度設定為90℃）。

從圖1可以看出，在熱處理溫度90℃下，氫氣體積達到最大值570.2 mL，1 mol葡萄糖可產1.85 mol的氫氣。在產生的氣體中未檢測到甲烷氣體，說明熱處理方式有效地抑制了甲烷菌活性。隨著熱處理溫度升高，氫氣產量呈下降趨勢。這與文獻報道的最適宜熱處理溫度范圍80～95℃一致[17-18]。

圖1　熱處理溫度對厭氧發酵產氫的影響Fig.1 Perform ance of hyd rogen p roduction from glucose at different preheating tem peratu res

圖2　熱處理時間對厭氧發酵產氫的影響Fig.2 Perform ance of hyd rogen p roduction from glucose with different p reheating duration

由圖2可見，在90℃下對厭氧活性污泥進行40 min的熱處理，得到最大的產氫效率。而太長的熱處理時間造成產氫量的下降，當處理時長達到100 min后，氫氣產量下降33%。可能是由于熱處理溫度過高或時間過長會對活性污泥造成熱損傷，不利于發酵產氫。

2.2　發酵液初始pH值對厭氧發酵產氫的影響

發酵液初始pH值會影響微生物菌群組成和厭氧發酵產氫菌的代謝途徑。從圖3可以看出在初始pH值8.0的條件下，氫氣體積、產率和體積分數達到639.6 mL、2.14 mol/mol和0.777的最高值。可能是因為弱堿性條件可以在一定程度上中和酸性代謝產物（乙酸、丙酸和丁酸等揮發性脂肪酸），減少其通過細胞膜進入細胞質的量，從而降低對微生物生長的抑制作用，最終提升產氫效率[19]。Bow les等發現，當發酵液pH值降至5.0以下后，發酵產氫基本停止[20]，而吳小兵等[21]指出中性的pH值環境下有利于厭氧產氫菌保持高活性進行糖化和厭氧發酵產氫的反應過程。主要是因為厭氧發酵產氫過程所使用的菌種、發酵底物、操作參數的不同導致最適的初始pH值存在一定的差異。

圖3　發酵液初始pH值對厭氧發酵產氫的影響Fig.3 Perform ance of hydrogen p roduction from glucose with d ifferent initial pH values

2.3　NH+4濃度對厭氧發酵產氫的影響

氮元素是微生物固氮酶和產氫酶的重要組成元素，本研究使用（NH4）2SO4作為無機氮源，考察了不同濃度（NH4）2SO4加入量對厭氧活性污泥中菌群代謝活性和厭氧發酵產氫能力的影響。實驗結果如圖4所示。

圖4　濃度對厭氧發酵產氫的影響Fig.4 Performance of hydrogen production from glucose with different concentrations of（NH 4）2 SO 4

2.4　Fe2+濃度對厭氧發酵產氫的影響

相比無添加 FeSO4，當加入0.10 g/L的 FeSO4時得到的氫氣產率提升了35%，主要是因為：固氮酶催化的還原反應必須要有鉬鐵蛋白、鐵蛋白等作為電子轉移的載體；氫酶的主要成分是鐵硫蛋白，Fe2+是產氫酶必不可少的組成元素。因此，Fe2+的加入有助于提升微生物厭氧發酵產氫效率。但隨著Fe2+濃度的繼續增大，產氫效率出現下降趨勢，有文獻證明過高的Fe2+會抑制氫酶活性[22]，因此圖5中FeSO4濃度達到0.10 g/L后，產氫量大幅下降。楊海軍[23]的研究結果認為0.15 g/L的FeSO4濃度是最適合厭氧發酵產氫菌進行發酵產氫的濃度，得到最大產氫體積225 mL，但過多的Fe2+會在一定程度上抑制發酵產氫。因此只有在適宜Fe2+濃度下才能促進發酵產氫，利于產氫菌的生長代謝，提高產氫速率和產氫量。

圖5　Fe2+濃度對厭氧發酵產氫的影響Fig.5 Performance of hydrogen production from glucose with different concentrations of FeSO 4

2.5　Mg2+濃度對厭氧發酵產氫的影響

從圖6可以看出，0.03 g/L的MgSO4是最適宜的濃度點，得到的最大的氫氣體積（574.18 mL）、最大產氫效率（2.35 mol/mol）以及最高氫氣體積分數（0.822）分別比最小值高出 37.5%、46.7%和16.4%。當MgSO4濃度小于0.03 g/L時，產氫量處于較低水平，可能是由于發酵液中低濃度的鎂離子不足以提供微生物細胞膜、細胞壁等的合成，從而降低了厭氧發酵產氫菌群的生長，所以其產氫能力較低；當MgSO4濃度過高，超過0.03 g/L時，出現了產氫量、產氫效率以及氫氣濃度下降的趨勢，推測可能的原因是糖酵解酶被高濃度的鎂離子抑制了代謝活性，進而影響了厭氧發酵產氫菌的產氫能力。

2.6　最適宜條件下的產氫實驗

圖6　Mg2+濃度對厭氧發酵產氫的影響Fig.6 Perform ance of hyd rogen p roduction from glucose with different concentrations of MgSO 4

通過單因素實驗對各主要影響因素的研究，可以得到厭氧活性污泥利用葡萄糖作為發酵底物進行發酵產氫的最適宜條件為：污泥在90℃下熱處理40 min，調節發酵液初始 pH值至8.0，加入 3.00、0.10 和 0.03 g/L的（NH4）2SO4、FeSO4和 MgSO4。

在該條件下進行實驗，得到實驗結果如圖7所示。可以將產氫實驗過程分為3個階段：在最初的8 h內，氫氣產量較低，微生物處于適應生長代謝環境階段，而在8～12 h內迅速上升，產氫菌處于高活性期，在實驗末期的8 h內產氫量出現大幅下降，可能是由于發酵液pH值降至酸性范圍內[20]、各種無機元素含量下降等造成產氫環境不再適宜微生物進行代謝產氫。

圖7　最適宜條件下厭氧發酵實驗結果Fig.7 Resu lts of anaerobic ferm entation hyd rogen p roduction under the op tim al conditions

在該條件下得到較高純度（體積分數0.80）的氫氣630 mL，氫氣產率為 2.62 mol/mol（圖 7），比單因素實驗結果中最高的氫氣產率2.41 mol/mol提高了8.7%，氫氣體積分數提升到0.80，比張茂林等[24]使用活性污泥進行厭氧發酵產氫實驗得到的氫氣體積分數最大值0.56高30%。因此通過本實驗達到了提高氫氣產率和氫氣體積分數、優化產氫條件的目的。

3　結論

通過單因素實驗對發酵產氫的主要影響因素進行考察并總結出最適宜的產氫條件為：厭氧活性污泥熱處理溫度90℃，熱處理時間40 min，發酵液初始 pH值 8.0，（NH4）2SO43.00 g/L、FeSO40.10 g/L、MgSO40.03 g/L。在該最適宜條件下進行發酵產氫實驗，氫氣產率為2.62 mol/mol，比單因素實驗結果中最高的氫氣產率2.41 mol/mol提高了8.7%，氫氣體積分數高達0.80，說明通過本文的研究優化厭氧發酵產氫條件、提升了產氫效率和氫氣純度，是一種較為高效的制氫方法，具有良好的應用前景。

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