以葡萄糖为基质的IC厌氧反应器产氢产甲烷比较分析*

以葡萄糖为基质的IC厌氧反应器产氢产甲烷比较分析*

侯欣悦，尹芳，张无敌，柳静，王昌梅，赵兴玲，杨红，刘士清

(云南师范大学 太阳能研究所，云南 昆明 650500)

摘要：在以葡萄糖为基质的厌氧消化降解过程中，根据出水中所含的挥发性脂肪酸之间变化的关系，将单个IC厌氧反应器与两个IC厌氧反应器串联进行对比，得出以COD在4 000～5 500 mg/L的葡萄糖配水为进水的情况下，两个IC厌氧反应器的COD降解率高于单个；产酸相相对于单个反应器更易发生丁酸型发酵；两个厌氧反应器的能源利用率是单相反应器的1.22倍.

关键词：IC反应器；葡萄糖；产氢产甲烷耦联；丁酸型发酵

厌氧发酵技术在处理有机废弃物的同时获得氢气或者甲烷，近年来受到广泛关注[1].氢气作为一种清洁无污染的绿色能源备受大家的关注，它燃烧后只产生水，不排放任何污染物质，且燃烧热值高达142.35 kJ/g，为汽油的2.75倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍[2].甲烷也是一种高能燃料，虽然其燃烧产物为二氧化碳和水，但由于释放的碳来自于植物所固定的大气中的碳，本质上厌氧发酵产生的甲烷是碳中性的.氢气和甲烷分别是厌氧发酵不同阶段的产物,为了区别于传统的厌氧发酵技术，称之为两相厌氧发酵产氢产甲烷技术.

两相厌氧消化系统(Two-Phase Anaerobic Digestion,TPAD)是在20世纪70年代初由美

国Ghosh和Pohland开发的，并于1977年在比利时投入实际应用[3].

1以葡萄糖为基质的两相厌氧消化实验

1.1实验材料与方法

1.1.1发酵原料：葡萄糖

1.1.2接种物：实验室长期驯化的混合厌氧活性污泥(pH=7.5).

1-产酸相进水桶，2-蠕动泵，3-IC厌氧反应器，4-产酸相出水桶/产甲烷相进水桶，5-气柜，6-产甲烷相出水桶

图1两个厌氧反应器

Fig.1Two IC reactors in series

1-进水桶，2-蠕动泵，3-IC厌氧反应器，4-出水桶，5- 气柜

1.1.3实验装置：图1为实验所用的两个厌氧反应器系统，由两个IC反应器分别作为产酸相和产甲烷相，每一个IC反应器有一个进水桶、一个出水桶、一个蠕动泵和一个气柜组成.图2为与两个反应器系统相对比的单的IC反应器.

1.2实验方法

用葡萄糖配置4 000～5 500 mg/L的COD配水，固定水力滞留时间为24 h.两个IC反应器串联系统中产酸相直接进葡萄糖水，产甲烷相进产酸相的出水，并加入营养物质(表1).单个IC反应器配水直接进入同样COD的葡萄糖水，并直接加入与甲烷相相同量的营养物质.

表1　营养物质配比

1.3分析项目及设备

有机酸：GC9790Ⅱ型气相色谱仪分析仪；pH：精密pH试纸；气体：GC9790Ⅱ型气相色谱仪分析仪；COD：COD max在线测试仪；产气量：气柜.

2数据及其分析

2.1COD去除率

表2　单个IC与两个IC反应器串联COD去除率

由表2可以看出，在4 000～5 500 mg/LCOD的范围内，两个反应器串联的COD去除率要高于单相反应器，并且进水COD越高的情况下，两个反应器串联的COD去除率高于单个反应器的去除率.

2.2反应器末端出水中有机酸含量及数据分析

表3　乙酸含量表

图3乙酸含量

Fig 3Comparison of acetic acid

由表3和图3可以看出，大部分情况下，两个厌氧反应器串联系统出水中乙酸的含量要低于单个厌氧反应器，说明系统对乙酸的使用更彻底.

表4　气体含量表

图4　丙酸含量

日期单个反应器丙酸含量/(mg/L)两个反应器中甲烷相丙酸含量/(mg/L)7.1766.0341.337.21525.12149.407.28311.016.507.31382.2238.08

产氢产乙酸菌群在有机物厌氧降解中，一定条件下可将丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等有机挥发酸和醇类物质转化为乙酸，同时释放分子氢[7].由表3和表4可以看出两个IC反应器串联系统的乙酸变化含量较高，同时系统所产生的H2高于单个IC反应器，表明两个IC反应器串联系统内的产氢产乙酸菌更为活跃.

由于产甲烷菌只能直接利用甲酸、乙酸和甲醇，而由乙酸和丙酸的数据对比得出，两个IC反应器系统出水中乙酸和丙酸的含量均少于单个反应器，因此两个IC反应器系统对乙酸和丙酸的利用更彻底，表明两个IC反应器串联系统中产甲烷相反应器的产甲烷菌活性很可能高于单个IC厌氧反应器.

表6　丁酸含量对比

两个IC反应器串联系统的产酸相的出水pH维持在4.1左右，产酸相出水作为产甲烷相进水，产甲烷相出水中的丁酸含量高于单个IC反应器，因此判定产酸相会发生丁酸型发酵，而且单个反应器内发生的丁酸型发酵较少.

2.3能源利用效率

沼气发酵产生的甲烷有72%来自乙酸的代谢，有28%由氢气还原二氧化碳产生[6].研究发现，每产生1 mol的甲烷就要消耗4 mol的氢气，能量损失达169.2 kJ，从能源利用效率的角度考虑这是不合算的[7]，因此若将氢气单独利用，理论上可以增加原料的能源利用效率.

实验原料的能源利用率利用下式计算：

式中：E——原料的能源利用率；

VH2——氢气的体积(mL)；

VCH4——甲烷的体积(mL)；

QH2——氢气的燃烧热值(12.86J/mL)；

QCH4——甲烷的燃烧热值(35.822J/mL)；

Q——葡萄糖的燃烧热值(15 594.4J/g)；

m——葡萄糖的使用量(g).

由上式计算出这一阶段试验中单个IC反应器和两个IC厌氧反应器串联系统的能源利用率，结果见表7.

表7　能源利用率

由表7可知，两个IC厌氧反应器串联的能源利用率要高于单个IC反应器.

3结论

在4 000～5 500mg/LCOD的葡萄糖进水条件下：

⑴两个IC厌氧反应器串联的COD降解率高于单个IC厌氧反应器；

⑵相比单个IC反应器，两个反应器串联对乙酸和丙酸的利用更彻底；

⑶由于产酸相pH处于4.1左右，使得产甲烷相出水中丁酸的含量高于单相反应器出水中丁酸的含量，说明在pH为4.1的条件下更容易发生丁酸型发酵；

⑷两个IC厌氧反应器串联系统的能源利用率要高于单个IC反应器的能源利用率，前者是后者的1.22倍.

参考文献:

[1]刘爽.混合原料厌氢发酵产氢产甲烷技术研究[D].哈尔滨：东北农业大学，2013.

[2]蔡木林，刘俊新.厌氧发酵产氢的影响因素[J].环境科学，2005，26(2)：98-101.

[3]POHLANDFG,GHOSHS.Developmentinanaerobicstabilizationoforganicwastes：Thetwo-phaseconcept[J].EnvironLett,1971,1(1):255-566.

[4]吕炳南，陈志强.污水生物处理新技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005.

[5]冼超彦.ABR作为产甲烷反应器的两相厌氧工艺处理有机废水的试验研究[D].广州：华南理工大学,2010.

[6]张无敌，宋川洪，尹芳，等.沼气发酵与综合利用[M].昆明：云南科技出版社，2004.

[7]秦智，任南琪，李建政.生物制氢反应器产氢产乙酸菌群对挥发酸的转化[J].太阳能学报，2010，31(4):407-411.

[8]尹芳，胡觉，张无敌,等.紫茎泽兰产氢产甲烷联合发酵的研究[J].科学通报，2010，55(36)：3469-3476.

The Comparative Analysis with Glucose as Substrate of IC Anaerobic

Reactor to Produce Hydrogen and Methane

HOU Xin-yue, YIN Fang, ZHANG Wu-di, LIU Jing, WANG Chang-mei,

ZHAO Xing-ling, YANG Hong, LIU Shi-qing

(Yunnan Normal University,Kunming 650500,China)

Abstract:In the process of anaerobic digestion degradation with glucose as the substrate,we compared single IC anaerobic reactor with two IC anaerobic reactors in series on the bases of the changes of volatile fatty acids.It came to a conclusion that under the condition of the glucose water with COD ranged from 4 000 to 5 500 mg/L,two IC anaerobic reactors in series of COD degradation rate was higher than single.And butyrate-type fermentation were more likely to occur in the two IC reactors in series than the single one.Furthermore，the energy utilization rate of two anaerobic reactor was 1.22 times of the single reactor.

Keywords:IC reactor; Glucose; Co-fermentation of hydrogen and methane; Butyrate-type fermen tation

中图分类号：S216.4

文献标志码：A

文章编号：1007-9793(2015)06-0023-05

通信作者：尹芳(1967-)，女，副教授，硕士生导师，主要从事生物质能方面研究.

作者简介：侯欣悦(1990-)，女，河北石家庄人，硕士研究生，主要从事生物质能与环境工程方面研究.

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(20135303110001)、国家自然科学基金(51366015)、云南省应用基础研究基金(2014FA030)和云南省科技创新提升计划(2013DH041)联合资助项目.

收稿日期：*2015-10-10