-》有机废水生物制氢的连续流发酵工艺

性污泥和微生物菌群具有最强的发酵与繁殖速度，其有机物酸化率及产气率达到最大。对发 酵末端产物组成温度几乎没有影响。 ３．２ ｐＨ值
ｐＨ值是发酵法生物制氢系统的关键因子。产酸发酵细菌对ｐＨ值的变化十分敏感，既便 是对于稳定性较强的乙醇型发酵，当反应器内ｐＨ值在一定范围内变化时，也会造成其微生 物生长繁殖速率及代谢途径发生一些改变，使其代谢产物发生相应的变化。ｐＨ值在４．Ｏ～５．０ 范围内，发酵末端产物中以乙醇、乙酸含量最高，呈现典型的乙醇型发酵。当４．Ｏ＜ｐＨ＜４．５ 耐，发酵产物以乙醇、乙酸、丁酸为主，都是理想的目的副产物。若ｐＨ值＜４．０，由于有机 酸的大量积累可使反应器出现过酸状态，此时其酸化率、产气率急骤下降，细菌的产氢生理 生化代谢过程受到严重抑制。因此，乙醇型发酵的最佳ｐＨ值应为４．０～４．５。 ３．３氧化还原电位
ＣＨｚＯＨ ２ＡＴＰ ２ＡＤｐ
ＣＨＯ
４
∑２．：ＨｂＨ 令告：÷：。
｛Ｈ：ｏ＠ ２ＮＡＤ＂２ＮＡＤＨ
ＣＯＯＨ
葡萄培
３·礴酸甘油畦
＋Ｈ’
丙嗣酸
１
卜回
穴２ ＣＨｌ ｋｏ
２ＮＡｌｌ）“２ＮＡＤＨ
＋Ｈ＋
乙蓝
图Ｉ细菌乙醇型发酵，Ｅｔｈａｎｏｌ·ｔｙｐｅ ｆｍ＇ｍｃｎｔａｔｉｏｎ
从乙醇、乙酸和丁酸的产生途径来看，大多数发酵细菌均是将丙酮酸经脱羧产生乙酰 ＣｏＡ的同时，释放Ｈ２。而丙酸和乳酸发酵均不产生Ｈ２。由此可见，作为产酸枢和作为生 物制氢系统的最适液相末端发酵产物相同，均可选择乙酸、乙醇及丁酸。也就是说可选择乙 醇型发酵或丁酸型发酵。但从两种发酵类型来看，乙醇型发酵的最适末端发酵产物的稳定性 较好。工程控制条件易获得。同时，乙醇型发酵可承受较大的有机负荷，有机物处理能力较 高。所以，在工程应用中选择乙醇型发酵较适宜。 ４．３甲酸裂解产氢途径
尚未见到关于一个连续流的、工业化生产的生物制氢工艺的报道。任南琪等…已经研究 清楚发酵法生物制氢工艺，并获得了小试和中试的实验结果。目前正在进行生物制氢生产示 范化工程的基地建设，使这一研究方向继续保持领先。发酵法生物制氢工艺至少包括以下几 个步骤：从厌氧污泥和耗氧污泥作为种泥，可进行或不进行预热处理。工程控制温度在３５－３８ ℃之间，ｐＨ值在４．Ｏ－６．０之间．水力停留时间４－６小时。工艺采用富含碳水化合物的底物， 并投加充足的Ｐ、复杂的Ｎ源，并吹脱溶解氢，通过监测气流，气体成分和液相氧化还原电 位来防止乙酸一丁酸一氢气代谢途径的偏离，并去出制氢工艺中产芽孢菌的干扰。可以认为， 在任南琪等乙醇型发酵生物制氢理论指导下的发酵法生物制氢技术，是各种生物制氢系统中 最有前途的工艺之一。
以大肠杆菌产氢为代表，主要通过甲酸裂解产生氢气。目前已经有人工遗传操作改良 甲酸裂解途径的代谢工程研究报道。产氢量提高１２％。方法是利用基因敲除技术。限制了 乳酸脱氢酶的活性。
５．提高产氢技术”１
氢气的积累抑制生物制氢工艺，过高的氢分压限制了对高浓度底物的利用。利用氮气吹 脱，可以显著提高氢气产量。由于ＣＯ对氢化酶的抑制作用，吹脱气体不应含有ＣＯ．在实验 室规模的厌氧制氢系统，Ｖｏｏｌａｐａｌｌｉ和Ｓｔｕｃｋｅｙ采用硅酮膜提取溶解气体，去除Ｈ２和Ｃ０２。 这种方法的带来的问题是由于生物膜的建立减少了还原性。Ｎｉｅｌｓｅｎ等采用钯一银貘反应器， 利用氮气吹脱模拟生活废水的发酵系统，吹脱掉的气体中，对氢高度选择性，但产氢效率没
３１１
或ＥＤ途径生成丙酮酸，丙酮酸经乙醛生成乙醇。在这一发酵中，发酵产物仅有乙醇和Ｃ０２， 无Ｈ２产生。任南琪等对产酸反应器内生物相观察，并未发现酵母菌存在，也未发现运动发 酵单孢菌属（Ｇ一细菌。不产芽孢的杆菌．杆径租大，１－２ ｕ ｍ×２－５ ｕ ｍ）。试验中发现，发酵 气体中存在大量Ｈ：，因而这一发酵类型并非经典的乙醇发酵。任南琪将这一发酵类型称作乙 醇型发酵，主要末端发酵产物为乙醇、乙酸、Ｈ２、Ｃ０２及少量丁酸。这一发酵类型中，通过 如下发酵途径产生乙醇，如图１。从发酵稳定性及总产氢量等方面综合考察，乙醇型发酵仍 不失为一种较佳的厌氧发酵及产氢途径。
３１２
有研究。磷的限制有利于Ｈ２／ＶＦＡ生产，所以在富含碳水化合物、营养缺乏的底物中投加磷 有利于反应进行ａ Ｕｅｎｏ等利用ＮＨ４ＣＩ而不是蛋白胨投加到纤维素降解液中，加速了氢气的 生产，所以含氮营养液应该投加到缺氨底物中。
６．结束语
生物制氢技术通过发酵或光合微生物的作用，将有机物分解，获得氢气。生物制氢与传 统的物理化学方法相比，有清洁、节能等许多突出的优点。自上世纪七十年代以来，生物制 氢的实用性及可行性才得到高度重视。人们开始从获取氢能的角度进行各种生物制氢和产氢 技术的研究。
细胞固定化技术就是指将细胞保埋在天然的或者合成的人工载体上”：．Ｋｕｍａｒ等分别报 道了利用琼脂凝胶、多孔玻璃珠、椰子壳纤维等包埋Ｒｈｏｄｏｂａｃｔｏｒ ｓｐｈａｅｒｏｉｄｅｓ，Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ ａｅｒｏｇｅｎｓ，Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｏｒ ｃｌｏｃａｅ等菌株的产氢试验，产氢率
３０９
都有所提高。王相品系统全匿的研究了产氢发酵细菌的细脆包埋技术，间歇试验和连续流实 验的菌株Ｂ４９产氢试验表明都可以提高氢气的转化率和产氢速率，缩短水利停留时间。在连 续流产氢试验运行中，固定化产氢细菌Ｂ４９通过自身的调节作用可以在低ｐＨ条件下产氢， ｐＨ保持在３．９左右。包埋剂为ＰＶＡ－海藻酸钙，利用Ｎａ２Ｃ０３将饱和硼酸和ＣａＣｌ２的ｐＨ值调 到６．７左右。以减轻低ｐＨ条件下对微生物的影响，此法可以有效地防止ＰＶＡ凝胶成球时的 粘结现象，而且增加了海藻酸钙的机械强度“’。反应器采用硫化床、嘭化床、固定填充床． 搅拌槽等”。。 ２．３发酵产氢与产甲烷相的结合
Ｃ６Ｈ】２０６＋４Ｈ２０＋２ＮＡＤ＋＋４ＡＤＰ＋４Ｐｊ一２ＣＨ３ＣＯＯ一＋６Ｈ＋＋２Ｈ２＋２ＨＣ０３一＋２ＮＡＤＨ
＋４ＡＴＰ
由于乙酸生成途径无还原力，所以当乙酸产率较高时，可导致ＮＡ阴＋Ｈ＋大量过剩：同 时，由于乙酸所形成的酸性末端过多，所以常因ｐＨ值很低而产生负反馈作用。由以上两方 面原因，出现产乙酸过程与丁酸循环机制耦联（即呈现丁酸型发酵）就不难理解了。在这一 循环机制中，尽管葡萄糖的产丁酸途径中并不能氧化产乙酸过程中过剩的ＮＡＤＨ＋Ｈ＋，即
源——氢气的生产开辟了一条新途径“。１。与光裂解和光合成法生物制氢技术相比，发酵法
生物制氢技术在许多方面表现出更多的优越性：（１）发酵产氢菌种的产氢能力要高于光合产 氨菌种，而且发酵产氢细菌的生长速率一般比光解产氢生物要快：（２）发酵法生物制氢无需 光源，不但可以实现持续稳定产氢，而且反应装置的设计、操作及管理简单方便；（３）制氢 设备的反应容积可达到足够大。从而可以从规模上提高单台设备的产氢量：（４）可生物降解 的工农业有机废料都可能成为发酵法生物制氢生产的原料，来源广且成本低廉；（５）发酵产 氢细菌更易于保存和运输。所以，发酵法生物制氢技术较光解法生物制氢技术更容易实现规 模化的工业性生产。
将产氢发酵反应器与产甲烷相结合起来，我们建立了产氢一产甲烷两相厌氧工艺，以高 浓度有机废水作为底物，利用产酸相制取氢气，产甲烷相制取沼气，在有机废水处理达到环 保需求的基础上，进行有效地能源回收。目前．已经完成了小试，很有前途的研究方向。
３．反应系统生态因子与工程控制参数
３．１温度 温度对产氢产酸发酵有显著影响，当温度调节在在３５～３８℃范围时，反应器中的厌氧活
３１０
力和悬浮物截留能力，生物制氢反应器的水力停留时间（ＨＲＴ）维持在４～６ｈ较为适。 ３．５搅拌器的速率及功率
搅拌速率对反应速率影响较大，它不但影响混合液的流动状况，决定微生物与底物的接 触机会，而且，对代谢速率、气体释放速率及生物发酵途径都有较大影响。第一转速较低 时，污泥絮体易沉于罐底，较轻的絮体及表面吸附气泡的絮体则会上浮。由于低转速混合效 果较差，底物反应不完全，产氢效率较低。第二转速适宜时，污泥絮体完全处于悬浮状态， 随着搅拌器转速的增加，产氢速率增加，并最终达到最高产氢速率。此时，影响产氢速率的 主要因素是絮凝体颗粒的界面层厚度及絮凝体颗粒粒径，当达到最适转速时，界面层厚度很 小，且絮凝体粒径减小。第三转速过高时，产氢速率降低。李建政认为搅拌器在转速为６０ｒ ／ｍｉｎ时，反应器内的污泥絮体能够完全悬浮，且在ＨＲＴ不小于５ｈ的条件下，其污泥持有 量能够保持较高水平（２０９ｓｓ／Ｌ）。 ３．６碱度
Ｃ６Ｈ１２０６＋２Ｈ２０＋３ＡＤＰ＋３Ｐｉ—ＣＨ３ｃＨ２ｃＩ｛２Ｃ００一＋２ＨＣ０３一＋３Ｈ＋＋３ＡＴＰ
但是，因为产丁酸过程可减少ＮＡＤＨ＋Leabharlann Baidu＋的产生量，同时可减少发酵产物中的酸性末端， 所以对加快葡萄糖的代谢进程有促进作用［６～７］。 ４ ２乙醇型发酵产氨途径”。
在经典的生化代谢途径中。所谓乙醇发酵是由酵母菌属等将碳水化合物经糖酵解（ＥＭＰ）
为了增加系统的稳定性，特别是在高有机负荷（大于３０ｋｇＣＯＤ／ｍ３·ｄ）运行条件下，对进 水碱度进行适度调节是十分必要的。试验结果表明，在高有机负荷运行条件下，进水碱度（以 ＣａＣ０３计）应大于３００ｍｇ／Ｌ，则可保证乙醇型发酵的最适ｐＨ４～４．５值：当进水碱度小于３００ｒａｇ ／Ｌ时，出水ｐＨ值有可能降至ｄ．０以下，使微生物代谢活力迅速下降，发酵产氢作用将受 到极大限制。调节进水碱度可采用投加ＮａＨＣＯ。、Ｎａ伽、Ｎａ。Ｃ０３和石灰等方法，其中以投加石 灰乳为佳，因为：第一．石灰价格低廉，可减少生物制氢的生产成本；第二，一定量的Ｃａ＂。 对微生物的代谢有刺激作用，在相同条件下，它可使产氢率提高１５％以上。
２．发酵生物制氢系统的工艺
２．１活性污泥法生物铡氢 活性污泥法利用生物厌氧产氢一产酸发酵过程制取氢气，同时可以作为污、废水的二相
厌氧生物处理工艺的产酸相。污泥接种后进行驯化，发酵废水为废糖蜜，辅助加入ＮＩＰ配置 而成的作用底物，使反应器进入乙醇型发酵状态，进行连续流的氢气生产。反应器采用任南 琪发明的完全混拌式生物制氢反应器”’。 ２．２固定化细胞生物制氢
有机物进入生物制氢反应器后，在各种微生物体作用下水解、发酵产酸。同时释放Ｈ２ 和Ｃ０２，有机物在反应器中的停留时间直接制约着这一代谢过程。停留时间过短，产酸发酵 过程进行得不充分：停留时问过长。会影响反应器效能的发挥。试验运行中可观察到出水中 有大量细菌絮体流出。大量菌种的流失，最终必然会导致反应器产氢量的下降。根据产氢能
厌氧微生物的生存要求较低的氧化还原电位（Ｅｈ值）环境的原因，是它们的一些脱氢 酶系包括辅酶Ｉ、铁氧还蛋白和黄紊蛋白等要求低的Ｅｈ值环境才能保持活性。生境中的氧 化还原电位可受多方面因素的影响。第一．氧化还原电位受氧分压的影响，氧分压高．氧化 还原电位高；氧分压低。氧化还原电位低；第二，微生物对有机物的氧化及代谢过程中所产 生的氢、硫化氢等还原性物质，会使环境中的Ｅｈ值降低；第三。环境中的ｐＨ值也能影响氧 化还原电位。ｐＨ值较低时，氧化还原电位高：ｐＨ值高时，氧化还原电位低。 ３．４水力停留时间（ＨＲＴ）
产氨学说或理论）指导下发酵法生物制氢工艺业已建立起来，分别进行了小试、中试，并将
进入生产示范工程。
ｒ一
关键词：生物制氢ｉ发酵法制氢÷工艺设计；飞鹳岛卵咱ｂ工程控制
。
唪图翕喜时ｈｊ珊瑚————立赫标识码ｒ＊——吏圣编号一
１．前言
由于氢的能量转化率高、可再生性及无污染的特性而成为未来的主要能源。生物制氢技 术以其资源一甜菜废蜜等碳水化合物的可再生性、生产的清洁性和环境友好性，为可再生能
有机废水生物制氢的连续流发酵工艺
王兴祖任南琪李永峰魏利张妮 （哈尔滨工业大学市政环境学院，啥尔滨，中国，１５００９０）
摘要：本文对生物制氢的工程实践应用的研究进行了评论性的回顾。讨论了发酵法生物制氢
系统的特点，重点讨论了厌氧发酵生物制氢系统的工艺流程与设计、工程控制参数与发酵调
控、产氢速率与产量的提高技术对策等许多技术问题。乙醇型发酵生物制氢理论（双碳发酵
４．细菌产氢发酵类型
４．１丁酸型发酵产氢途径
丁酸型发酵主要是在梭状芽孢杆菌属（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ）的作用下进行的，如丁酸梭状芽孢
杆菌（Ｃ ｂｕｔｙｒｉｃｕｍ）和酪丁酸梭状芽孢杆菌（Ｃ ｔｙｒｏｂｕｔｙｒｉｃｕｍ）。解糖梭状芽孢杆菌属发酵 葡萄糖为丁酸和乙酸是以中间产物乙酰ＣｏＡ作为分叉点。从氧化还原反应平衡来看，以乙 酸作为惟一终产物是不理想的，因为产乙酸过程中将产生大量ＮＡＤＨ＋Ｈ＋，生化反应式如下