不同接種量對木薯酒精廢水厭氧發酵產氫的影響

鄭展耀, 尹 芳, 張無敵, 趙興玲, 劉士清, 吳 凱, 王昌梅, 柳 靜, 楊 紅

(云南師范大學 能源與環境科學學院, 昆明 650500)

隨著氣候的變暖和人口的激增，能源和環境問題日益突出。發展可再生能源已成為社會發展的戰略要求。氫氣做為可再生清潔能源，熱值很高，約為143 kJ·g-1,其燃燒后的產物只有水，對環境造成的污染很小[1],目前制氫的技術包括礦物燃料制氫、電解水、生物制氫。其中生物制氫具有結構簡單、能耗低、成本低等諸多優點。在生物制氫的方法中，發酵法生物制氫技術在成本、制氫效率方面表現出更多的優越性。餐廚垃圾、農作物秸稈、畜禽糞便、工業有機廢水以及生活污水等原料都可以作為厭氧發酵產氫的基質，木薯酒精廢水是木薯通過EMP發酵途徑產乙醇過程中產生的廢棄物，其具有COD濃度高，含有大量的碳水化合物并且呈酸性，其中也有研究證明了木薯酒精廢水適合作為厭氧發酵產氫的基質。

對于批量式發酵方法來說，影響厭氧發酵產氫的因素有pH值、溫度、接種量、氫分壓等。其中羅剛[2]等研究了不同初始pH值對木薯酒精廢水高溫厭氧發酵產氫的影響，研究結果表明，初始pH值6.0為高溫厭氧產氫的最佳值，累計產氫量為383 mL，單位基質產氫量為70 mL·g-1。鄒中海[3]等研究了溫度對木薯酒精廢水高溫厭氧發酵產氫的研究，研究結果表明60℃產氫最佳，累計產氫量為383 mL。本文研究了不同接種量對木薯酒精廢水產氫的影響，以此來探究木薯酒精廢水厭氧發酵產氫最適的接種量。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 發酵原料與接種物

木薯酒精廢水采集于玉米正常乙醇發酵蒸餾后，從中試實驗室蒸發罐底部排出的廢水液，經過固液分離后獲得，將其放在2℃～4℃的冰箱中冷藏以供實驗使用。

接種物：污水處理廠脫水活性污泥首先經過實驗室厭氧馴化，對污泥進行篩選，以消除大顆粒和無機物質。篩選出的污泥通過重復曝氣法處理[4]：首先將厭氧接種污泥曝氣1～3 h，控制溶解氧的濃度為1.0～2.0 mg·L-1,酒精廢水的濃度控制在15 g·L-1，然后沉淀21 h，最后將上清液排出，加入自來水定容到原來的體積，該過程重復7次，最終污泥由黑色變為黃褐色，pH值降低到4.5左右，曝氣后的種泥用離子水洗三次以洗脫溶解性多糖和蛋白質[4]，最后去掉上清液，微生物濃度以MLVSS(揮發性懸浮固體)計為38.03 g·L-1。物料的特性如表1所示。

表1 玉米酒精廢水與接種污泥的物料特性 (%)

1.1.2 pH值調節液[5]

(1)鹽酸溶液：取濃鹽酸16 mL 倒入100 mL 燒杯中，加蒸餾水至100 mL，配制成濃度為6 mol·L-1的鹽酸溶液。

(2)氫氧化鈉溶液：用天平稱取30 g 氫氧化鈉固體，加70 mL蒸餾水溶解，配制成質量分數為30%的氫氧化鈉溶液。

1.1.3 實驗裝置

采用實驗室常規的批量式發酵裝置，如圖1所示[6]。

圖1 實驗裝置

1.2 實驗方法

1.2.1 原料預處理

將木薯酒精廢水用自來水稀釋，避免COD過高引起實驗的酸化。

1.2.2 實驗設計

本實驗采用批量式發酵工藝，容積為500 mL，料系數為發酵罐的80%，即500 mL×80%=400 mL；設置3個實驗組和3個對照組，每組均重復設置3個平行實驗，發酵溫度維持在35℃±1℃。對照組：3個對照組按照接種量的30%，40%，50%分別加入120 mL，160 mL，200 mL，加水至400 mL。實驗組：3個實驗組按照接種量的30%，40%，50%分別加入120 mL，160 mL，200 mL，每個實驗組各加入150 mL木薯酒精廢水(COD為28373 mg·L-1)，加水至400 mL。

1.2.3 測試項目及方法

(1)pH值的測定：采用PHS-3C型pH計測定，每1 d測定發酵液中的pH值。

(2)還原糖的測定：DNS比色法。

(3)TS和VS采用常規分析[7]進行測定。

(4)產氣量測定：采用排水集氣法收集氣體并測定產氣量，實驗啟動以后，每12 h定時記錄各組的產量。

(5)氫氣含量測定：采用氣相色譜檢測氫氣含量，Porapak Q不銹鋼填充柱，柱溫80℃，載氣為氮氣。流速為30 mL·min-1，進樣室溫度為80℃，檢測室熱導檢測器(TCD)，檢測室溫度120℃，橋電流120 mA。

(6)揮發性有機酸測定：液相組分(乙醇、乙酸、丙酸、丁酸戊酸、異丁酸、異戊酸)由氣相色譜儀測定，色譜柱為30 m×0.25 mm×0.25 μm的熔融硅膠毛細管色譜，用高純氮氣作載氣，其氣體流速為30 mL·min-1，進樣方式為分流進樣，分流比為10∶1，空氣和氫氣流速分別為400 mL·min-1，30 mL·min-1。

2 實驗結果與分析

2.1 產氣情況分析

2.1.1 凈產氫量

由圖2可知，實驗一共進行了106 h，30%接種量，40%接種量，50%接種量3個實驗組產氫趨勢均為先上升后下降并且均能較快地啟動，在第12 小時就開始產氫，產氫量分別為30 mL，17 mL，14 mL。3個實驗組均在第70天達到了產氫高峰期，產氫量分別為176 mL，201 mL，146 mL，其中在第12小時至70小時產氫量變化趨勢為30%接種量實驗組﹥40%接種量實驗組﹥50%接種量實驗組，說明隨著接種量的增加，實驗啟動得越慢。但是40%接種量實驗組產氫高峰期的產氫量均要高于其他兩個實驗組，這主要是因為隨著接種量的增加產氫菌種更加豐富，但是接種量越多并不利于產氫菌的活性。隨著物料中的營養成分被產氫菌大量的消耗而減少，導致產氫菌的生長代謝減慢，產氫量下降，直到最后產氫停止。

圖2 凈產氫量變化曲線圖

2.1.2 氫氣成分含量

用氣相色譜法對各批次產生的氣體進行檢測，結果表明，所有實驗中只觀察到二氧化碳和氫氣。未檢測到甲烷的可能原因是，經過重復預處理的接種污泥是以產氫菌為主，在該環境中甲烷生成菌不活躍。在J L Wang[8]的研究也發現了類似的現象，其中在所做的實驗中沒有檢測到甲烷。由圖3可以看出各實驗組氫氣含量的變化趨勢均為先上升后下降。30%接種量，40%接種量，50%接種量實驗組的氫氣含量均在第82小時達到最大值，分別為44.05%，36.50%，41.79%。其中30%接種量實驗組的氫氣含量上升速度最快并且氫氣含量均要大于其他實驗組，說明30%接種量的發酵環境更有利于產氫菌的活性，而隨著接種量的增加反而會抑制產氫菌的活性。

圖3 氫氣含量變化曲線圖

2.1.3 累積產氫量

圖4 累計產氫量變化曲線圖

由圖4可以看出，在整個發酵實驗的過程中，各實驗組的產氣速率先增加，后趨于平緩。各實驗組剛開始啟動階段，產氫速率上升較慢，在第46小時至70小時產氫速率最快，隨后產氣達到最高產氫速率階段，趨于平緩。30%接種量實驗組的累計產氫量要高于其他兩個實驗組。說明30%接種量更有利于木薯酒精廢水厭氧發酵產氫。而且隨著接種量的增加，累積產氫量反而越少。說明接種量越高，對發酵產生有機酸等中間產物的利用率越低。

2.1.4 各實驗組Modified Gompertz模型擬合的對比分析

在最原始的Gompertz 模型中，參數a，b，c是并不具有生物學相關意義的，所以在利用 Gompertz 模型擬合厭氧消化降解過程時，應對其進行適當的改進，獲得Modified Compertz模型如方程[9](1)：

(1)

式中：y(t)為時間t時的累積產氣量(accumulative biogas yield)，mL，當t→∞時，y(t)→a，有Hm=a為最大累積產氣量，mL；Rm=a×c/e為最大產氣速率，mL·d-1；λ=(b-1)/c，λ為發酵滯留時間，d。e為exp(1)=2.71828。實際數據處理過程中，利用origin軟件對參數a,b,c進行擬合，然后轉換為Hm，Rm、λ的值。根據各實驗組實際累積產氣量(見圖4)并聯合Modified Gompertz模型擬合處理后得出結果如圖5～圖7與表2。

圖5 30%接種量實驗組擬合曲線變化圖

圖6 40%接種量實驗組擬合曲線變化圖

圖7 50%接種量實驗組擬合曲線變化圖

表2 各實驗組Modified Gompertz動力學參數比較

由圖5～圖7和表2可以看出，Modified Gompertz模型對不同試驗組日產氣量的數據進行擬合得到最大累積產氣量與圖5～圖7中實際累積產氣量相比，實際累積產氣量略低于最大累計產氣量，相對偏差分別為3.83%，4.17%，3.46%，所得到擬合曲線相關系數都在0.98以上，具有良好的相關性,因此模型擬合效果較好。對于累計產氫量來說30%接種量實驗組﹥40%接種量實驗組﹥50%接種量實驗組，對于最大產氫速率來說30%接種量實驗組﹥40%接種量實驗組﹥50%接種量實驗組，這說明了30%接種量實驗組更有利于木薯酒精廢水厭氧發酵產氫，因為隨著接種量的增加，大分子有機酸被分解為小分子有機酸，提供給產氫菌產氫，但是隨著小分子有機酸乙酸、丁酸、丙酸等的積累又會抑制產氫菌的活性，所以才導致50%接種量實驗組在累計產氫量和產氫速率方面表現最差，30%接種量實驗組在累計產氫量和最大產氫速率方面表現最佳。正是因為揮發性有機酸的積累也導致了各實驗組生物發酵滯留期的不同。在產氫率方面30%接種量實驗組﹥40%接種量實驗組﹥50%接種量實驗組，與累計產氫量呈正相關關系。

綜上，認為本試驗所采用的幾種預處理方法中，30%接種量實驗組累積產氫量達到522 mL與40%接種量實驗組，50%接種量實驗組相比分別提高了12.64%，33.52%。因此木薯酒精廢水厭氧發酵產氫最適的接種量為30%。

2.2 料液中揮發性有機酸變化

厭氧發酵制氫過程伴隨著可溶性代謝產物的產生，其中主要成分是揮發性脂肪酸(VFA)和一些其它溶劑產品?？扇苄源x產物的分析可以幫助我們確定反應器中的發酵類型?？刂瓢l酵系統內pH值為5.5左右，發酵后料液中檢測到的VFA如圖8所示。

由圖8可知各實驗組經過厭氧發酵揮發性有機酸均有不同程度的積累。各實驗組的揮發性有機酸的成分主要為丁酸、乙酸和少量的丙酸，因此各實驗組的產氫發酵類型為丁酸型發酵。30%接種量實驗組、40%接種量實驗組、50%接種量實驗組的總揮發性有機酸的含量分別為4829.3232 mg·L-1，7916.5488 mg·L-1，11574.6533 mg·L-1，根據Patcharee Intanooa[10-11]利用兩級上流式厭氧污泥床反應器(UASB)從木薯廢水中生產氫氣和甲烷研究中指出，抑制產氫菌揮發性有機酸的含量大約為8000 mg·L-1至10000 mg·L-1左右，因此40%接種量實驗

圖8 各實驗組發酵后揮發性有機酸的變化

組和50%接種量實驗組累積的揮發性有機酸均對產氫菌產生了不同程度的抑制，導致產氫量下降。

2.3 料液中底物降解情況

本實驗以木薯酒精廢水為原料厭氧發酵制氫，通過厭氧發酵前后TS，VS，COD和還原糖的差值來反映底物降解效率。在表3中表示出了各實驗組對料液的降解情況。

表3 各實驗組發酵前后料液的TS，VS，COD和還原糖的分析

由表3可知底物中TS,VS,COD,還原糖均有不同程度的降解，其中降解情況為30%接種量實驗組﹥40%接種量實驗組﹥50%接種量實驗組，這其中和累計產氫量并呈正相關關系。這主要說明接種量的多少，影響了其中微生物菌群的活性和富集程度，導致其物料的利用程度會有所不同。 30%接種量實驗組對物料的利用程度最高，其中TS降解率為14.03%,VS降解率為32.32%,COD降解率為32.23%,還原糖利用率為83.00%，由此看來對于3個實驗組來說，30%接種量更能保持厭氧發酵產氫過程中產氫菌的活性。

3 產氣潛力對比分析

為更加客觀地評價木薯酒精廢水的產氫潛力，以30%接種量實驗組的產氫情況與其它不同種類發酵原料的產氫潛力進行對比，結果如表4所示。

由表4可以看出，與其它原料相比，木薯酒精廢水無論是在發酵周期或者產氫潛力方面，都表現出更佳的優越性。一是因為木薯酒精廢水營養成分高而且被分解，使產氫菌更容易被利用；二是因為經過預處理的接種污泥使產氫菌富集，有更為優勢的產氫菌種。綜上來說木薯酒精廢水是一種適合產氫發酵的原料。

表4 不同原料的產沼氣潛力

4 結論

(1)以木薯酒精廢水為發酵原料，在中溫35℃±1℃進行批量式的厭氧產氫發酵試驗，各實驗組均在第106小時之后產氫量基本為零，故發酵周期為106 h。實驗在第12小時就開始產氫，并在第70小時達到峰值，故實驗啟動較快。

(2)Modified Gompertz模型分析不同接種量對木薯酒精廢水厭氧發酵產氫影響，具有較好的相關性，根據Modified Gompertz模型獲得相關參數指標，可以對各實驗組木薯酒精廢水厭氧發酵產氫效果做出合理評價。就累積產氫量影響、原料轉化效率而言，各實驗組的對比處理效果為30%接種量>40%接種量>50%接種量。其中30%接種量最適合木薯酒精廢水厭氧發酵產氫，累計產氫量為522 mL，最大產氫速率為14.44 mL·h-1，TS產氫率為139.20 mL·g-1，VS產氫率為 242.80 mL·g-1。

(3)各實驗組在發酵完成后均出現了不同程度的揮發性有機酸的積累，30%接種量實驗組，40%接種量實驗組，50%接種量實驗組的總揮發性有機酸的含量分別為4829.3232 mg·L-1，7916.5488 mg·L-1，11574.6533 mg·L-1，30%接種量實驗組的揮發性有機酸的含量更適合于產氫菌的活性。各實驗組的產氫發酵類型為丁酸型發酵。

(4)對比各實驗組，30%接種量實驗組對物料的利用程度最高，其中TS降解率為14.03%，VS降解率為32.32%，COD降解率為32.23%，還原糖利用率為83.00%，而且通過與其它原料的產氫潛力對比木薯酒精廢水是一種適合的產氫發酵原料。