接种污泥对产氢颗粒污泥形成的影响

曲媛媛，郭婉茜，丁 杰，任南琪

(哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨150090，rnq@hit.edu.cn)

作为一种可替代传统化石能源的重要新型能源，氢气的制备是人类战略能源的发展方向.发酵法生物制氢技术以其环境友好等诸多优点被广泛研究［1］.颗粒污泥产氢是面向产业化应用的自固定附着生长型工艺，相较于传统的悬浮生长型工艺，其具有生物持有量高、污泥沉降性好等优点，是提高连续流反应器体积产氢速率的突破口［2-3］.目前，人们对厌氧污泥颗粒化的研究已经十分广泛［4-6］，一些针对UASB反应器中产甲烷颗粒污泥的研究发现，不同接种污泥中存在的物质能够对污泥颗粒化的进程产生影响［7-8］.也有研究者发现，采用缺氧泥作为接种污泥来启动CSTR产氢发酵反应器，启动时间要比采用好氧泥短［9］.而对产氢污泥颗粒化技术和理论的研究目前还处于初级阶段，这主要是由于产氢细菌形成颗粒比较困难［10-12］.近年来，随着膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器在生物制氢领域的应用，已有研究者在特定的工程控制参数调控下，培养出了产氢颗粒污泥，并发现颗粒污泥产氢效率可比传统絮状污泥有所提高［2-3］.所以，研究EGSB系统产氢颗粒污泥的影响因素，快速培养具有良好产氢活性的颗粒污泥十分必要.然而，目前报道的产氢颗粒污泥主要面向丁酸型发酵的产氢微生物［13］，对乙醇型发酵产氢微生物颗粒的研究还比较缺乏.

本文采用EGSB反应器培养产氢颗粒污泥，采用不同的接种污泥来进行启动，对颗粒粒径、系统产氢速率、液相末端发酵产物等指标进行监测，旨在从接种污泥的角度来量化和优化乙醇型发酵产氢颗粒的形成条件，为进一步研究产氢颗粒污泥的快速培养及工程应用提供理论依据.

1 试验

1.1 试验装置

试验采用两个相同的有机玻璃制成的EGSB反应器模型.反应器有效容积为3.2 L，沉淀区为1.8 L.反应器顶部设有三相分离装置，使气、液、固三相很好地分离，更有利于气体的释放.采用计量泵将废水从进水箱以恒定流量泵入反应器内，外循环用回流泵控制.本装置采用将电热线缠绕在整个反应器外壁上的方式来加热保温，通过温控仪将反应器内温度控制在(35±0.5)℃.试验装置如图1所示.

1.2 试验废水与接种污泥

试验废水由甜菜制糖厂排出的糖蜜废水稀释而成，配水时保证COD∶ρN∶ρP为1000∶5∶1左右，并投加一定比例的农用复合肥，以提供活性污泥在生长过程中对N、P等营养元素的需求.

试验采用两种接种污泥:1号反应器的接种污泥为哈尔滨市政污水排放沟底泥和本实验室正在运行的IC反应器内的厌氧产甲烷颗粒污泥混合而成，混合体积比为1∶1，将混合污泥粉碎稀释，初始混合液挥发性悬浮固体质量浓度(MLVSS)和混合液悬浮固体(MLSS)质量浓度分别为6.78 g/L和10.76 g/L，接种量为1 L;2号反应器的接种污泥为本实验室正在运行的IC反应器内的厌氧产甲烷颗粒污泥，将污泥粉碎稀释，初始MLVSS和MLSS质量浓度分别为6.83 g/L和10.35 g/L，接种量为1 L.

图1 EGSB生物制氢反应器示意图

1.3 反应器启动与运行

反应器启动COD容积负荷为(8.0±0.5) kg/(m3·d)，水力停留时间为6 h，系统运行温度(35.0±0.5)℃.采用逐渐提高COD浓度的方式提高有机容积负荷，容积负荷从8.0 kg/(m3·d)逐渐提高到48.0 kg/(m3·d).试验中污泥样品均在反应器中段取样口取出.

1.4 分析方法

按照美国1998年制定的APHA标准方法测定生物量(MLSS、MLVSS)和COD［14］.pH和ORP采用pHS-25型酸度计测量.颗粒污泥的粒径分布采用筛分法测定.

采用LML-1型湿式气体流量计计量发酵气流量.发酵气的组分及含量由SC-II型气相色谱分析，热传导式探测器(TCD)，不锈钢色谱填充柱长2.0 m，内径5 mm，担体Porapak Q(177～297 μm粒径).由柱式加热炉加热，检测器温度150℃.以氮气为载气，流速为40 mL/min.液相末端产物(VFAs)组分及含量采用标准GC-122气相色谱检测.氢火焰检测器，不锈钢填充柱长2.0 m，内径5 mm，担体为GDX-103型(0.18～0.25 mm粒径).气化室、填充柱和检测室温度分别为220，190和220℃.以氮气为载气，流速为30 mL/min［15］.

2 结果与分析

2.1 接种污泥对EGSB产氢的影响

图2是采用两种不同接种污泥进行启动，产氢速率随容积负荷的变化规律.可以看出，添加了污水排放沟底泥的1号反应器运行状况较为平稳.从第12 d起，产氢呈逐渐升高的趋势.而2号反应器的适应期较长，从第20 d起产氢速率才开始有明显的上升趋势.到本组试验末期，1号反应器的产氢速率达到5.05 L/(L·h)，2号反应器的产氢速率为4.10 L/(L·h)，1号产氢速率为2号的1.23倍，而且在整个试验阶段，1号反应器的产氢速率始终高于2号反应器.尽管在启动初期，两个反应器内均可监测到甲烷气体产生，但随着运行容积负荷的增加和环境pH值迅速由7.1下降至4.3左右，产氢产酸细菌逐渐占据优势，两反应器均可以产氢.这也说明用于接种的产甲烷颗粒污泥内部含有大量的产氢产酸细菌.两反应器产氢能力的不同与微生物的初始种群结构不同有关，混合了污水排放沟底泥的反应器内生物多样性更为丰富，微生物活性好，传质效率高，保证了其高效产氢.

图2 产氢速率随容积负荷的变化

2.2 接种污泥对产氢颗粒粒径的影响

表1和表2是两个反应器中颗粒污泥的粒径分布随运行时间的变化.可以看出，1号反应器在第10 d时，已经可以观察到絮状污泥的聚集现象.与2号反应器相比，1号反应器可较快地形成产氢污泥颗粒.在第40 d取样观察，1号反应器内粒径>1.4mm的颗粒已经占到30%，而2号反应器中主要以0.8～1.0 mm的颗粒为主.

表1 颗粒污泥的粒径分布随运行时间的变化(1号反应器)

表2 颗粒污泥的粒径分布随运行时间的变化(2号反应器)

本研究中，污泥的接种量是6.5～7.0 g/L，文献［16］指出，为了加快颗粒化进程，缩短反应器的启动时间，接种量以5～15 g/L为宜，较大的接种量可以缩短启动时间.还有报道指出经过厌氧消化的接种物可以较快地形成颗粒污泥［17］.本研究表明，缺氧污泥混合厌氧污泥进行接种，可以快速培养产氢颗粒污泥.而且在第40 d培养的颗粒污泥的平均粒径约在1.1～1.4 mm.直接用产甲烷颗粒污泥粉碎后进行产氢颗粒污泥的培养，在第40 d，培养出的颗粒污泥的平均粒径仅约0.8～1.1 mm.1号平均粒径约为2号的1.25倍.除了上述因素，1号反应器中较高的产气速率也可能是促进颗粒化过程的重要原因.

从颗粒污泥形成的几种理论假说分析，这种现象基本验证了Sehmidt等［6］提出的理论.他的团队在总结前人研究成果后提出，颗粒污泥的形成一般分为4步:(1)细菌向惰性物质或其他菌体表面移动;(2)通过理化作用将细菌可逆地吸附在一起或者惰性物质上;(3)通过微生物吸附物(如胞外多聚物)的作用将细菌不可逆地粘附在一起或者吸附在惰性物质上;(4)细菌的倍增和颗粒污泥的增大.分析可知，1号反应器接种污泥添加了50%的污水排放沟底泥，污水排放沟底泥由含量较高的惰性物质和微生物组成，而惰性物质恰恰充当了颗粒污泥形成初期为微生物粘附和附着所提供的载体，并且能够减少活性产氢微生物的流失，使反应器稳定运行，保障颗粒化的快速进行.与1号反应器相比，2号反应器内的活性微生物在pH较低的环境条件下活性降低，很多微生物随出水流失，大大阻碍了微生物颗粒化的进程.这同时也说明，污水排放沟底泥中的惰性物质作为颗粒污泥形成初期的载体物质，有利于颗粒化过程的进行.

2.3 接种污泥对液相末端发酵产物的影响

由运行过程中液相末端产物的变化规律(图3)可以看出，两个反应器从启动初期到启动结束经历了复杂的生态演替过程.1号反应器(图3(a))和2号反应器(图3(b))具有相似的产酸规律.启动初期，两反应器呈现混合酸发酵状态，而此时乙醇产量比较低.随容积负荷的提高，其他挥发酸含量都逐渐降低，乙醇含量逐渐增加.到启动末期，两个反应器中乙醇和乙酸占总液相末端产物的质量分数分别为85.6%和80.2%，说明乙醇型发酵已经形成.发酵类型的改变是微生物种群适应环境条件进行自身演替和调节的表现.许多研究者认为，丁酸型发酵是生物制氢的主要发酵类型［11，18-19］，任南琪等人研究认为，乙醇型发酵更具优势，有利于产氢的进行［20］.不同的接种污泥对反应系统的发酵类型并未产生影响，两反应器发酵产物的产量有所不同.与1号反应器相比，2号反应器略低的发酵产量也是反应器内的微生物活性降低，并有部分微生物随出水流失的体现.

图3 液相末端发酵产物的变化

2.4 接种污泥启动末期反应器运行参数的影响

表3是两个反应器达到乙醇型发酵时的运行参数.

表3 两反应器启动末期运行参数

可见，影响发酵类型的主要因素是环境因子，而接种污泥的不同导致发酵产物的产量有所不同.以混合污泥接种反应器液相末端发酵产物的产量要高于以厌氧污泥接种的反应器的，并且耐酸性更好，可在pH3.9条件下保持稳定产氢，突破了Hwang等［21］认为的发酵法生物制氢工艺的控制下限.这一优越性可使工程应用中为调节pH值而投加碱性物质的费用大大降低.1号反应器内挥发性悬浮固体质量浓度为27.2 g/L，2号反应器内为24.1 g/L，前者为后者的1.13倍，说明1号反应器的颗粒化进程更好.保持具有较高产氢活性的生物量是生物制氢反应器稳定运行和高效产氢的关键.

3 结论

1)采用缺氧污泥混合厌氧污泥进行接种的反应器可快速形成颗粒污泥并产氢，在整个启动过程中产氢速率始终高于厌氧接种的反应器.在启动末期，混合污泥接种的反应器内颗粒污泥的平均粒径为厌氧污泥反应器颗粒污泥平均粒径的1.25倍，产氢速率为1.23倍.

2)混合污泥接种的反应器和厌氧污泥接种的反应器均形成了乙醇型发酵.接种污泥不是产酸发酵类型的控制因素，但会影响液相末端发酵产物的产量，两个反应器中乙醇和乙酸占总液相末端产物的质量分数分别为85.6%和80.2%.混合污泥接种的反应器具有更好的耐酸性，稳定运行时两个反应器内的pH值分别为3.9～4.3和4.0～4.4.

3)混合污泥接种的EGSB反应器在水力停留时间为6 h，COD容积负荷由8.0 kg/(m3·d)提高到48.0 kg/(m3·d)，启动过程末期达到了稳定运行状态，形成了平均粒径为1.1～1.4 mm的颗粒污泥，产氢速率达到5.05 L/(L·h).

4)启动末期，混合污泥接种的反应器内挥发性悬浮固体质量浓度为27.2 g/L，厌氧污泥接种的反应器内为24.1 g/L，前者为后者的1.13倍，说明混合污泥接种的反应器颗粒化水平更完全.

［1］HAWKES F R，HUSSY I，KYAZZE G，et al.Continuous dark fermentative hydrogen production by mesophilic microflora:Principles and progress［J］.Int J Hydrogen Energy，2007，32(2):172-184.

［2］GUO Wanqian，REN Nanqi，WANG Xiangjing，et al. Biohydrogen Production rate from ethanol-type fermentation of molasses in an expanded granular sludge bed (EGSB)reactor［J］.Int J Hydrogen Energy，2008，33 (19):4981-4988.

［3］GUO Wanqian，REN Nanqi，CHEN Zhaobo，et al.Siultaneous biohydrogen production and starch wastewater treatment in an acidogenic expanded granular sludge bed reactor by mixed culture for long-term operation［J］.Int J Hydrogen Energy，2008，33(24):7397-7404.

［4］郭养浩，孟春，石贤爱，等.UASB反应器中影响污泥颗粒化的工程因素［J］.生物工程学报，1997，13 (1):76-82.

［5］刘双江，胡纪萃，顾夏声.厌氧颗粒污泥形成过程的微生物研究［J］.中国环境科学，1992，12(6):405-409.

［6］SCHMIDT J E，AHRING B K.Granular sludge formation in upflow anaerobic sludge blanket(UASB)reactors［J］.Biotechnol Bioeng，1996，49(3):229-246.

［7］HULSHOFF POL L W.The phenomenon of granulation of anaerobic sludge［D］.Vageningen:Agriculture University of Vageningen，1989.

［8］IMAI T，UKITA M，LIU Jun，et al.Advanced start up of UASB reactors by adding of water absorbing polymer［J］.Water Science Technol，1997，36(6/7):399-406.

［9］刘敏.产氢-产甲烷两相厌氧工艺运行特性研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，市政环境工程学院，2004.

［10］FANG H H P，LIU Hong，ZHANG Tong.Characterization of a hydrogen-production granular sludge［J］.Biotechnol Bioeng，2002，78(1):44-52.

［11］MU Yang，YU Hanqing.Biological hydrogen production in a UASB reactor with granulars I:Physicochemical characteristics of hydrogen-producinggranules［J］. Biothechnol Bioeng，2006，94(5):980-987.

［12］YU Hanqing，MU Yang.Biological hydrogen production in a UASB reactor with granulars II:Reactor performance in 3-year operation［J］.Biothechnol Bioeng，2006，94(5):988-995.

［13］ZHANG Zhenpeng，SHOW K Y，TAY J H，et al.Rapid formation of hydrogen-producing granules in an anaerobic continuous stirred tank reactor induced by acid incubation［J］.Biotechnol Bioeng，2007，96(6):1040-1050.

［14］American Public Health Association，American Water Works Association，Water Environment Federation. Standards Methods for the Examination of Water and Wastewater 20th Edition［M］.Baltimore:United Book Press，Inc，1998.

［15］任南琪，王宝贞.有机废水发酵法生物制氢技术——原理与方法［M］.哈尔滨:黑龙江科学技术出版社，1994.

［16］SPEECE R E.工业废水的厌氧生物技术［M］.北京:中国建筑工业出版社，2001.

［17］MORVAI L，MIHALTZ P，CZAKO L.The kinetic basis of a new start-up method to ensure the rapid granulation of anaerobic sludge［J］.Water Science Technol，1992，25(7):113-122.

［18］MIZUNO O，DINSDALE R，HAWKES F R，et al.Enhancement of hydrogen production from Glucose by Nitrogen Gas Sparging［J］.Bioresource Technology，2000，73(1):59-65.

［19］WU Shu-yii，LIN Chi-num，CHANG Jo-shu.Hydrogen production with immobilized sewage sludge in threephase fluidized-bed bioreactors［J］.Biotechnol Prog，2003:19(3):828-832.

［20］REN Nan-qi，WANG Bao-zhen，HUANG Ju-cang.Ethanol-type fermentation from carbohydrate in high rate acidogenic reactor［J］.Biotechnol Bioeng，1997，54 (5):428-433.

［21］HWANG M H，JIANG N J，HYUN S H，et al.Anaerobic biohydrogen production from ethanol fermentation:the role of pH［J］.J Biotechnol，2004，111(3):297-309.