高浓度有机废水及剩余污泥发酵制氢技术研究

摘要：厌氧污泥发酵制氢技术是目前广泛被人们所接受的可再生能源手段之一，其种泥的预处理和驯化是厌氧污泥发酵制氢的关键技术之一。文章通过对厌氧接种污泥预处理方法和生态因子对污泥产氢特性的影响进行研究。

关键词：高浓度有机废水；剩余污泥；发酵制氢

中图分类号：TQ116 ； ； ； ；文献标识码：A ； ； ； ；文章编号：1009-2374（2014）18-0028-02

随着社会经济的发展和工业化进程的加快，高浓度有机废水的产生量迅速增加。高浓度有机废水富含有机物，COD浓度高，是我国水环境的主要污染源之一。目前，我国关于生活等污水的处理主要采用的是好氧生物处理技术，在处理的过程中将产生大量的剩余污泥。剩余污泥含水率高达99%以上，富含有机物，大量积累将成为影响环境卫生的一大公害。高浓度有机废水和剩余污泥是主要的生物质废物，蕴含着大量的生物质能，其良好的流动性又为这类生物质的生物能量转化提供了有利条件，因此高浓度有机废水和剩余污泥能源化处理技术成为这类生物质废物资源化处理研究的热点。而我国目前用于高浓度有机废水和剩余污泥能源化处理技术主要是厌氧发酵，以获得甲烷为主要目的，关于厌氧污泥发酵制取更高品味能源氢气的研究尚处于起步阶段，反应器多使用耗能严重的连续搅拌式厌氧反应器，有诸多问题亟待解决。

1厌氧污泥发酵制氢种泥预处理与驯化研究现状

作为开发清洁可再生新能源的重要手段，厌氧污泥发酵制氢技术已被人们广泛接受，并逐渐成为研究热点。厌氧污泥发酵制氢是在混合菌群条件下进行的发酵，在这些混合菌群中既存在产氢菌，同时也存在消耗氢气的微生物，如产甲烷菌等。种泥的预处理和驯化是厌氧污泥发酵制氢的关键技术之一。预处理的目的有两个：一是富集产氢细菌，二是抑制消耗氢气微生物的活性，而种泥的驯化则是要让种泥中的产氢菌快速地适应所处理的物质。

（1）种泥预处理方法。种泥的预处理是厌氧污泥发酵制氢技术的第一个环节。关于种泥的预处理的方法主要有：

热处理法。热处理法属于物理的处理方法，一般处理温度范围在75℃～121℃之间，处理时间介于15min～2h之间，其中最常用的处理温度是100℃，处理时间为15min。热处理法是目前使用最多的种泥预处理方法，也是一种被认为行之有效的处理途径。但是热处理法存在固有的缺点，一不是所有的产氢菌都能形成孢子，热处理不能在很大程度上富集产氢菌，二热处理杀死了大量不能形成孢子的微生物，导致了厌氧污泥中的生物较单一，生物间的协同作用差，不利于对复杂底物的处理，影响厌氧污泥发酵制氢运行的稳定性。热处理法的效果受温度和时间共同影响，目前尚未见关于处理温度和时间优化的研究。

曝气处理法。曝气处理是另外一种常用的物理预处理方法，通常是将种泥在曝气的状态下培养数小时至数天。在曝气的条件下严格厌氧的产甲烷菌不能存活，而某些产氢菌如肠杆菌属于兼性厌氧菌能在好氧条件下存活下来。利用微生物的这一生理生化特性，利用曝气的方式达到抑制氢消耗菌的活性，富集产氢菌的目的。曝气的处理方法同样存在着不能较大限度地富集产氢菌的缺点，主要是某些产氢菌是严格的厌氧菌同样不能在好氧的环境中生存。

酸碱处理法。酸碱处理法属于化学的处理方法。产甲烷菌对pH值有严格的要求，一般要求在中性偏碱性的范围，在强酸强碱的条件活性被严重抑制。

添加抑制剂法。2-溴乙烷磺酸盐是常用的抑制剂，是产甲烷过程中辅酶-M的类似物，能特异性地干扰产甲烷菌的代谢活动，从而抑制产甲烷菌的活性。添加抑制剂是一种行之有效的预处理方法，但是一般添加剂都较为贵重，工业大量使用比较困难。

（2）驯化策略研究。种泥的驯化直接影响厌氧污泥发酵制氢启动周期的长短，甚至关系整个工艺运行的成败。目前，关于种泥驯化的研究报道相对较少，而且大部分集中在以缩短水泥停留时间为控制因素上。

2厌氧接种污泥预处理方法研究

污水处理厌氧反应器中厌氧污泥是多种微生物的混合体，含有多种微生物群落，包括产氢菌和耗氢菌，如产甲烷菌等。产甲烷菌能够利用产氢菌产生的氢气生成甲烷，因此富集产氢菌必须抑制产甲烷菌的活性。由于多数产氢微生物在外界环境条件恶劣时能够产生芽抱，能够抵御较极端的外界条件，而产甲烷菌等耗氢菌则不具备这样的特点，因而可以通过适当的预处理方法，使污泥处于较为极端的环境，抑制耗氢菌活性，筛选产氢菌，使污泥持续稳定产氢。

我们通过利用产氢菌群能产生芽孢，对不良环境的较强耐受性，酸处理、碱处理、热处理和三氯甲烷处理4种不同方法对厌氧活定污泥中产氢菌群的富集效果实验结果如下：

（1）酸处理、碱处理和热处理三种方法对产氢菌的富集，抑制耗氢菌的效果较为明显。pH4.0、pH10.0、100℃处理20min后污泥发酵产氢率分别为未处理污泥产氢率的7.32、6.89和8.74倍，其中100℃处理20min后污泥发酵产氢率最高。

（2）三氯甲烷对微生物菌群的抑制作用非常明显，在本实验条件下，三氯甲烷预处理24小时，可能不可逆性地杀死了污泥中大部分细菌。

（3）污泥发酵产氢过程中将产生有机酸和醇等可溶性物质，主要为乙醇、乙酸和丁酸，仅有少量丙酸产生，没有检测到戊酸。

（4）酸处理污泥和热处理污泥产氢发酵进行的是混合型发酵，而碱处理污泥进行的主要是乙醇型发酵。

3生态因子对产氢特性的影响研究

培养时的温度、pH值、接种量等对不同菌种在发酵不同底物时的氢气产量均有较大影响。一般当温度在37℃左右时，厌氧活性污泥中混合菌群具有较强的发酵和繁殖速度，有机物酸化率及氢气产率最大，而温度对发酵末端产物的组成几乎没有影响。pH值不同时，体系将通过不同发酵途径进行发酵，因而造成产氢量不同，此外不同菌种不同培养方式的最适pH值也不一致。混合菌群可更为广泛地利用不同底物进行产氢发酵，但对不同底物的利用率和产氢发酵效率却有很大差别。

我们首先考察了不同方法处理污泥利用垃圾渗滤液的发酵产氢情况，探讨各种方法处理污泥对复杂基质的耐受性，并通过对初始pH、发酵温度、接种量这些因素的研究，确定相对适宜的培养条件。结论如下：

（1）相比酸、碱处理法，热处理法富集的混合产氢菌发酵复杂基质，能获得更高的产氢率。

（2）仅仅调节初始pH对体系的意义不大，初始pH值只影响了发酵初期短时间内的菌落生长环境，随着菌落繁殖，发酵进行，会产生大量乙酸、丁酸等酸性物质，使发酵体系pH值快速下降。

（3）温度会影响细菌的生长和代谢过程，从而影响混合菌群发酵产氢情况，35℃是混合菌群的最适生长温度，但为了获得高氢气产率，最佳培养温度为37℃。

（4）污泥接种量不宜太大也不宜太小，实验条件下，10%是一个合适的接种量。

4实验结果

通过以上对厌氧接种污泥预处理方法和生态因子对污泥产氢特性的影响进行的研究，为今后研发厌氧反应器发酵制氢系统提供了基础的数据，也为部分产生高浓度有机废水的企业提供了建设污泥发酵产氢工程的理论基础。

参考文献

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作者简介：刘剑伟（1982—），男，山东济宁人，供职于中煤科工集团南京设计研究院有限公司，研究方向：环境保护。endprint