苹果渣与剩余污泥混合消化产氢性能研究

余美娟 ， 赵兴树 ， 陈 阳 ， 赵明星 ， 黄振兴 ， 阮文权 *

（1.江南大学 环境与土木工程学院，江苏 无锡 214122；2.江苏省厌氧生物技术重点实验室，江苏 无锡 214122；3.江苏春越低碳研究有限公司，江苏 无锡 214122）

研究论文

苹果渣与剩余污泥混合消化产氢性能研究

余美娟1，2， 赵兴树3， 陈 阳1，2， 赵明星1，2， 黄振兴1，2， 阮文权*1，2

（1.江南大学 环境与土木工程学院，江苏 无锡 214122；2.江苏省厌氧生物技术重点实验室，江苏 无锡 214122；3.江苏春越低碳研究有限公司，江苏 无锡 214122）

以苹果渣和剩余污泥为消化底物，在温度为37℃，初始pH值为8.0的条件下进行批式厌氧消化产氢试验，比较单独消化和混合消化的产气性能.结果表明，苹果渣组和剩余污泥组单独厌氧消化时，H2产量分别是11.5 mL/gVS和8.6 mL/gVS，混合厌氧消化时，混合组的H2产量达到16.9 mL/gVS，比计算值提高了68.16%。剩余污泥组的pH值最高，苹果渣组中SCOD浓度最高，混合组的pH值和SCOD浓度均介于两个单独消化组之间，这是由于混合组能均衡两种有机底物的营养成分，提高系统的缓冲能力。这说明混合消化不单单是两种有机物的简单叠加，两者之间相互促进，存在一定的协同作用，混合消化能够提高产氢效率。另外在整个反应过程中，苹果渣组脱氢酶的活性很低，混合组高于苹果渣组，混合组脱氢酶活性最大为384 TFμg/（mL·h），且基本维持在 340 TFμg/（mL·h）左右。

苹果渣；剩余污泥；混合消化；氢气；脱氢酶

随着化石燃料的日益枯竭和环境问题的越发严重，可替代能源的开发变得尤为紧迫。氢气是一种具有巨大潜能的替代能源，其燃烧热值高，且在燃烧过程中不产生有害物质，是一种清洁能源[1-2]。通过厌氧发酵方法获取氢气，由于其对经济、环境友好等特点，具有广阔的应用前景[3-4]。以有机废弃物为原料进行厌氧发酵制氢是目前的研究热点之一。

在日常生活中，人们对水果的消费呈增长趋势，其中苹果是主要的消费水果之一，因此每年会产生大量的副产物苹果渣，苹果渣主要由果皮，果核和残余果肉等组成。目前苹果渣大部分被废弃，造成城市垃圾增多，并且由于苹果渣易腐烂变质，会引起严重的环境污染问题[5]。研究结果表明苹果渣中含有大量的还原糖等物质，这些物质经过水解后可产生易降解的糖类，并在产氢菌的作用下产生氢气[6]。然而苹果渣单独厌氧消化时，有机物质在水解酸化过程中容易大量转化为有机酸，导致pH急剧下降，抑制甚至终止产氢过程。

另一方面随着城市污水处理规模的不断扩大，污水处理厂的剩余污泥产量也在迅速上升，剩余污泥具有产量大，易腐败，有恶臭，含病原微生物及重金属等特点，如果处理不当，将会严重污染环境。厌氧消化是污泥处理的常用方法之一，它不仅可以实现污泥的减量化，还能获取氢气和甲烷等能源，很大程度上提高了污泥的资源和环境效益[7]。但是由于污泥中大多数的有机质被微生物的细胞壁所包裹，很难被利用，这限制了污泥单独发酵的效率。

多底物的混合发酵由于能充分利用不同物料性质之间的互补性，平衡底物的营养成分，提高发酵稳定性，在厌氧消化产甲烷领域已得到较好的应用[8-12]，但是将混合底物进行产氢发酵的报道还较少[13-15]。厌氧发酵产氢主要是依靠反应器内产氢菌的代谢活动，其中温度和pH值是影响产氢菌活性的重要因素。任南琪[16]等认为厌氧发酵产氢的最适温度为35～38℃。李超[17]等研究发现在初始pH值8.0的条件下，产氢效果最好。根据已有的研究成果，本次试验温度控制在（37±1）℃，初始pH值为8.0。

本文作者对苹果渣，剩余污泥单独消化和混合消化的产氢性能进行对比研究，对发酵过程中的溶解性化学需氧量（SCOD）浓度、碳水化合物浓度和脱氢酶活性等参数进行分析，为混合底物厌氧消化产氢气的实际应用提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

苹果渣，取自江南大学北区水果店，取样后用小型食品加工机粉碎；剩余污泥，取自无锡某污水处理厂；接种污泥，取自无锡某食品企业的废水厌氧产甲烷发酵罐。接种污泥经121℃15 min热处理后作为产氢污泥，产氢污泥经葡萄糖活化一周后用于实验。苹果渣的TS、VS质量分数分别为14.35%和14.18%，剩余污泥的TS、VS质量分数分别为7.69%和4.69%，接种污泥的TS、VS质量分数分别为18.10%和12.33%。

1.2 实验装置与设计

设置3组实验，分别为苹果渣组、剩余污泥组、苹果渣和剩余污泥混合组，每个实验组重复3次。底物和接种污泥的VS质量比为1∶1，混合组中苹果渣和剩余污泥的VS质量比为1∶1，且每组底物的VS量均为10 g，加一定水后各组的pH值均调至8.0，实验方案如表1所示。反应装置为500 mL的血清瓶，气体采用排水法收集，反应温度为（37±1）℃。

表1 实验方案Table 1 Experimental design

1.3 分析项目及方法

2 结果与分析

2.1 不同组分产氢情况比较

在本次实验中，苹果渣组、剩余污泥组以及混合组的氢气产量分别为11.5、8.6 mL/gVS和16.9 mL/gVS（见表2）。马晓珂等[21]研究发现，苹果渣在固态条件下厌氧发酵最大产氢量为16.47 mL/gTS，在液态条件下为19.29 mL/gTS[22]。代东梁等[23]研究发现，剩余污泥在常温，pH值为6.5的条件下产氢量为6.88 mL/gVS。本研究的产氢量与上述结论较相近。混合组的氢气产量比苹果渣组和剩余物泥组的氢气产量分别提高47%和106%。这可能是混合底物之间产生了酸碱中和，物料平衡等效应，促进了底物的转化率，提高了产氢效率。

厌氧产甲烷和产氢过程均是微生物利用底物在厌氧条件下的产气反应，因此为了评价混合消化的协同作用对发酵产氢性能的影响，按照李荣平等[24]提出的根据混合底物的比例计算混合消化所得甲烷量的方法，计算混合消化的氢气量情况，即根据单独消化时苹果渣和剩余污泥的实际氢气产量以及混合消化中苹果渣和剩余污泥的比例，计算混合消化所得到的氢气量。3组的产气情况如表2所示。

表2 实际及计算氢气产量Table 2 Measured and calculated hydrogen yields

根据上述方法计算得到混合组的实际氢气产量比计算值高出6.85 mL/gVS，提高了68.16%。这表明苹果渣和剩余污泥混合消化不仅仅是两种有机物的简单叠加，两者之间存在协同作用。一方面剩余污泥具有较强的缓冲能力，有助于维持适宜的pH值；另一方面苹果渣和剩余污泥的混合物中营养物质得到均衡化，提高了产气效率。

2.2 厌氧消化过程中pH和有机酸浓度变化

pH值会影响厌氧微生物对营养物质的吸收和消化过程中酶活性等，从而影响厌氧发酵效率。图1为厌氧消化过程中pH的变化情况。

图1 厌氧消化过程中pH的变化情况Fig.1 Change of pH during anaerobic digestion

由图可知，各组的pH都呈下降趋势，苹果渣组、剩余污泥组以及混合组由初始的8.0分别降到3.87、6.36和4.88。这是因为厌氧消化过程中，反应底物中的有机质水解后生成有机酸，有机酸使体系的pH值下降。其中苹果渣组下降趋势最明显，这主要是因为苹果渣中含有丰富的易降解有机物质，在水解酸化阶段能快速分解，产生大量的有机酸，导致pH急剧下降，体系反应3 h后pH降为4.7，最终维持在3.9左右。剩余污泥单独厌氧消化时由于底物中的有机物质降解缓慢，反应3 h后pH降至5.89，但随着反应的进行，剩余污泥中氨氮浓度升高，中和部分酸性物质，pH略微上升，最终维持在6.4左右。混合组的pH值最终维持在4.9左右，介于两个单独厌氧消化组的pH值之间。27 h之后3组的pH值基本保持不变，这说明3组反应体系的酸碱度对有机酸有了足够的缓冲能力。研究发现，产氢发酵的最佳pH值的范围是4.5～6.0[25-26]，而3组中只有混合组的pH值在这个范围内最适合产氢发酵，而苹果渣组的pH值过低，抑制甚至终止了产氢过程。合适的pH值可以促进产氢过程，而苹果渣和剩余污泥混合消化能够维持一个较好pH值范围，这也是混合组氢气产量较高的原因之一。

有机酸是厌氧发酵的重要产物，有机酸会在反应体系中累积，使体系的pH降低，从而对产氢菌有抑制作用，因此当有机酸的浓度积累到一定浓度时，会抑制厌氧消化反应，从而使产氢过程停止。厌氧消化过程中有机酸的产生主要来自于糖类等物质的代谢过程，而氢气的产生伴随着有机酸的积累，因此有机酸含量的变化可以间接反映有机物质的变化情况以及氢气的产生情况。

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厌氧消化过程中各组有机酸的变化情况见图2。

图2 厌氧消化过程中有机酸的变化情况Fig.2 Concentrations of organic acids during anaerobic digestion

由图2可知，前6 h 3组中有机酸总量都快速增加，氢气的产量较大，糖类等物质的降解快。苹果渣组在15 h后基本呈直线性增长，最终总有机酸质量浓度为5 515 mg/L；剩余污泥组6 h后呈波动性增长，最终总有机酸质量浓度为512.2 mg/L，比初始量提高了173.7%，相对于苹果渣组和混合组有机酸的质量浓度，剩余污泥组有机酸的质量浓度较低；混合组在10～14 h内总量下降，之后保持缓慢增长，混合组有机酸在第10 h达到最大值2 208.8 mg/L，最终质量浓度为1 601.3 mg/L，比初始时增加了221.9%。在反应后期，3组有机酸总量都增加减缓，说明随着反应的进行，可降解物质减少，代谢缓慢，氢气的产生量变少甚至停止。

从有机酸组分变化趋势分析，苹果渣组反应初期水解酸化产生了甲酸、乙酸、乳酸、丙酸、丁酸，整个反应过程中甲酸的质量浓度一直都很低，维持在121～173 mg/L，丁酸质量浓度在0～10 h内增加，最大值为517 mg/L，从第10小时开始下降，到第14小时基本降为0，而乙酸、乳酸、丙酸的含量一直都在增加，最终质量浓度分别为1 357.1、2 216.7 mg/L和1 767.9 mg/L；剩余污泥组整个反应过程中主要产生了乙酸和丙酸，基本没有甲酸和丁酸生成，乳酸质量浓度很低，未超过70 mg/L，反应结束时，乙酸和丙酸的质量浓度分别为333.4 mg/L和137.6 mg/L；混合组中前10 h乙酸、乳酸、丙酸、丁酸质量浓度快速增加，之后乳酸和丁酸的质量浓度下降，而乙酸和丙酸的质量浓度增加缓慢，最终乙酸和丙酸的质量浓度分别为586.5 mg/L和975.4 mg/L。反应结束后，3组中丙酸和乙酸的质量浓度均较高，丁酸质量浓度很少。

2.3 厌氧消化过程中SCOD和氨氮质量浓度的变化

在厌氧消化的水解酸化阶段，底物中不溶性物质先被水解为可溶性物质，如可溶性碳水化合物等，这些可溶性物质在微生物的作用下发酵产生有机酸、H2、CO2等，因此反应器中SCOD会发生变化。图3为厌氧消化过程中SCOD的变化情况，由图可知各组的SCOD质量浓度的变化趋势基本相同，都是先上升后下降直至趋于稳定。在反应初期，SCOD质量浓度急剧上升，这主要是因为一方面在微生物的作用下3组中不溶性物质逐渐降解为可溶性物质，另一方面是由于苹果渣被破碎，有部分物质溶于水中，这样的苹果渣更易于水解。随着SCOD质量浓度的升高，微生物大量繁殖，在微生物的作用下，将这些可溶性物质转变为有机酸、H2和CO2，SCOD质量浓度逐渐降低。研究表明苹果渣组的SCOD质量浓度明显高于其它2组，剩余污泥组SCOD质量浓度最低，剩余污泥组SCOD质量浓度的范围是2 320～8 000 mg/L，苹果渣组SCOD质量浓度在第6小时达到最大，为32 400 mg/L，最终维持在25 000 mg/L左右，混合组SCOD质量浓度的范围是4 800～21 600 mg/L，这是因为苹果渣中含有大量易降解物质，容易水解产生有机质，而剩余污泥中虽然含有大量的有机物质，但是被微生物的细胞壁所包裹，很难降解，混合组均衡了这两者之间的营养物质。混合组中SCOD的质量浓度比剩余污泥组高，为微生物提供了充足的营养物质，促进产氢过程。产氢结束后，苹果渣组SCOD的质量浓度为26 400 mg/L，仍然较高，可被再利用，如后续产甲烷等。

图3 厌氧消化过程中SCOD质量浓度的变化情况Fig.3 Change of SCOD concentration during anaerobic digestion

在厌氧消化过程中，反应器内绝大多数的氮都转化为消化液中的氨氮，液态氨会影响反应体系的pH值，所以NH3的存在对厌氧过程非常重要。一方面氨氮浓度过高对细菌有强烈的抑制作用；另一方面，氨态氮又是微生物的营养源，因为细菌可利用氨态氮作为其氮源进行生长繁殖[27-28]。适当的氨浓度还可以增加消化液的碱度，这就会对厌氧消化过程中容易出现的酸化现象起到一定的缓冲作用。

图4为厌氧消化过程中各组氨氮质量浓度的变化情况。

图4 厌氧消化过程中氨氮质量浓度的变化情况Fig.4 Change of NH3-N concentration during anaerobic digestion

从图4可知苹果渣组的氨氮质量浓度呈先上升后下降的趋势，由于蛋白质以及含氮有机物的降解，反应体系中氨氮质量浓度升高，在第14小时达到最大值252 mg/L，结合图2和3可知，苹果渣组中有机酸的质量浓度很高，氨氮能对有机酸产生中和作用，缓解pH降低。剩余污泥组的氨氮质量浓度呈上升趋势，由38 mg/L上升到266 mg/L。水解酸化阶段产生了氨氮，但是由于在反应过程中，污泥产率小，只有少数的氨用于细胞增殖，而大部分的氨以氨氮的形式存在于消化液中，反应体系中氨氮浓度持续升高。混合组的氨氮质量浓度呈先下降后上升的趋势，前10 h由178 mg/L降至44 mg/L，后从44 mg/L上升至117 mg/L。总体而言，混合组中氨氮的质量浓度比另外两个单独厌氧消化组都要低，降低了发生氨氮抑制现象的风险。

2.4 厌氧消化过程中碳水化合物质量浓度的变化

根据3组厌氧消化过程中溶解性碳水化合物的变化情况（见图5），苹果渣组的碳水化合物的质量浓度呈持续下降的趋势，苹果渣组的碳水化合物质量浓度由初始的14 543.1 mg/L降到3 100 mg/L，这是因为产氢微生物利用可溶的碳水化合物产生氢气。但是最终碳水化合物质量浓度还维持较高，这主要是因为反应体系pH值太低，抑制了产氢过程。混合组的碳水化合物的质量浓度呈先下降后趋于稳定的趋势，混合组的碳水化合物质量浓度由初始的6 095.2 mg/L降到第14小时的254.6 mg/L，微生物一开始利用可溶的碳水化合物产生氢气，可溶的碳水化合物质量浓度降低，之后碳水化合物的质量浓度基本保持不变。剩余污泥组中碳水化合物的质量浓度变化不大，一直处于较低的水平，约200 mg/L，这表明剩余污泥中可溶性碳水化合物的质量浓度很少，剩余污泥中虽然有大量的有机物质，但是很难被降解。整个过程中，苹果渣组中碳水化合物质量浓度明显高于其它2组，为厌氧发酵产氢提供了足够的碳源，混合组均衡了苹果渣和剩余污泥的营养物质，能为微生物提供充足的养分，促进氢气的产生。

图5 厌氧消化过程中碳水化合物的变化情况Fig.5 Change of carbohydrate concentration duringanaerobic digestion

2.5 产氢过程中脱氢酶的变化

脱氢酶的催化作用会引起生物体内许多氧化还原反应，而脱氢酶作为一种胞内酶与细胞内的氧化磷酸化过程紧密相关[29]。活性污泥中脱氢酶的活性受营养物浓度影响，在处理过程中营养物浓度的降低会导致活性污泥中脱氢酶活性的降低。图6为厌氧消化过程脱氢酶活性的变化。

图6 产氢过程中脱氢酶活性的变化情况Fig.6 Change of dehydrogenase activity during hydrogen generation process

由图6可知，苹果渣组脱氢酶活性变化不大，一直处于较低水平。剩余污泥组脱氢酶活性总体上呈先上升后下降的趋势，厌氧环境下由于微生物的生长繁殖，脱氢酶活性提高，第14小时左右上升到最大，为 686 TFμg/（mL·h），随后由于体系中底物的消耗，不能提供足够的营养物质给发酵微生物，因此脱氢酶活性开始下降，最终降为 296 TFμg/（mL·h）。混合组脱氢酶活性呈先上升后下将的趋势，一开始厌氧微生物大量生长繁殖，脱氢酶活性增大，到第6小时左右上升到最大值，为 384 TFμg/（mL·h），随着反应的进行，底物不断被消耗，脱氢酶活性开始下降，最终降为 320 TFμg/（mL·h）。

在整个反应过程中，混合组脱氢酶活性明显大于苹果渣单独厌氧消化组，这是因为剩余污泥中含有大量蛋白质，根据赵明星等[30]的研究，加入蛋白质会提高脱氢酶的活性。与剩余污泥组相比，混合组脱氢酶活性更为稳定，这可能是因为混合组中苹果渣的加入补充了营养物质。剩余污泥组高于苹果渣组，这可能是由剩余污泥中残留有一些微生物引起的。总体上看，混合组脱氢酶活性最好，最有利于氢气产生。

3 结 语

在本次试验中，苹果渣、剩余污泥及其混合物的氢气产率分别是 11.5、8.6 mL/gVS和 16.9 mL/gVS，将苹果渣和剩余污泥混合消化，可以提高厌氧消化效率。在厌氧消化过程中，3组的pH值在反应初期都急剧下降，最终苹果渣组、剩余污泥组以及混合组的pH分别是3.87、6.36和4.88。另外这3组有机酸的质量浓度分别是5 515、512.2 mg/L和1 601.3 mg/L，主要成分均为乙酸和丙酸，丁酸质量浓度很低。反应结束后，这3组中乙酸和丙酸的质量浓度分别是1 357.1 mg/L和1 767.9 mg/L、333.4 mg/L和137.6 mg、5 86.5 mg/L和975.4 mg/L。剩余污泥组中氨氮质量浓度一直呈上升趋势，苹果渣组先上升后下降，而混合组是先下降后上升，且整个过程中氨氮的质量浓度均比其它两组的低，降低了氨氮抑制风险。混合组的脱氢酶活性明显高于苹果渣组，且整体上混合组比剩余污泥组更为稳定。混合组脱氢酶活性的最大值是 384 TFμg/（mL·h）。

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会议名称(中文)：第九届全国微生物资源学术暨国家微生物资源共享服务平台运行服务研讨会

所属学科：动植物微生物学,生物物理学、生物化学及分子生物学,细胞生物学

开始日期：2017-09-21 结束日期：2017-09-24

所在城市：山东省 泰安市

主办单位：中国微生物学会微生物资源专业委员会、国家微生物资源共享服务平台

承办单位：山东农业大学、中国农业科学院农业资源与农业区划研究所、山东大学、山东微生物学会、山东省科学技术协会、泰安市科学技术协会

联系人：林榕姗 156-6447-9599、王建宇151-6987-7671

E-MAIL：ncmr2017@caas.ac.cn、ncmr2017@vip.163.com

会议网站：http://csm.im.ac.cn/templates/team/introduction.aspx?nodeid=9&page=ContentPage&contentid=4863

会议背景介绍：为进一步加强微生物资源学领域学术交流，全面推进我国微生物资源研究并发挥其在中国微生物组研究计划中的积极作用，更好地服务于国家生物产业发展战略需求，促进微生物资源学科发展。由中国微生物学会微生物资源专业委员会、国家微生物资源共享服务平台主办，山东农业大学、中国农业科学院农业资源与农业区划研究所、山东大学、山东微生物学会、山东省科学技术协会、泰安市科学技术协会等单位共同承办的第九届全国微生物资源学术暨国家微生物资源共享服务平台运行服务研讨会将于2017年9月21-24日在山东省泰安市召开。

此次会议将为与会代表提供一个学术交流、成果展示及项目合作的平台。大会将特邀两院院士及国内外著名专家学者到会交流，就国家积极推动中国微生物组研究计划的大背景下，重点对微生物资源的发掘与利用、微生物资源与生物产业、微生物资源与生态等议题展开讨论。热忱欢迎微生物资源领域的同行莅临大会，齐聚一堂，共襄微生物资源领域盛事。

Hydrogen Production from Apple Waste and Excess Sludge by Anaerobic Co-Digestion

YU Meijuan1，2,ZHAO Xingshu3,CHEN Yang1，2,ZHAO Mingxing1，2,HUANG Zhenxing1，2,RUAN Wenquan*1，2
（1.School of Environment and Civil Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.Jiangsu Key Laboratory of Anaerobic Biotechnology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；3.Jiangsu Chunyue Low Carbon Research Co.Ltd，Wuxi 214122，China）

A batch experiment for hydrogen generation from apple waste and excess sludge by anaerobic digestion was conducted at the mesophilic temperature of 37℃and with the initial pH of 8.0.Results showed that hydrogen yield was 11.5 mL/gVS and 8.6 mL/gVS with single-digestion of apple waste and excess sludge，respectively.The hydrogen yield of co-digestion group reached 16.9 mL/gVS，which was increased by 68.16%as compared with the calculated value of co-digestion group.The pH value of excess sludge group was the highest，while the SCOD of apple waste group was the highest.Values of pH and SCOD of co-digestion group were between those for twosingle-digestion groups due to the well-balanced nutrients of two organic wastes，and the strong buffer capacity of the reactor system.These indicated that co-digestion was not just the simple sum of the two organic matters，and there was a certain synergic effect in the co-digestion process，which made the hydrogen production efficiency of co-digestion group enhanced.In addition，the dehydrogenase activity of co-digestion group was significantly higher than that of apple waste group during the whole process.The dehydrogenase activity of co-digestion group maintained around 340 TFμg/（mL·h），with a maximum value of 384 TFμg/（mL·h）.

apple waste，excess sludge，anaerobic co-digestion，hydrogen，dehydrogenase enzyme

X 703

A

1673—1689（2017）08—0792—08

10.3969/j.issn. 1673-1689.2017.08.002

2015-06-05

国家自然科学基金项目（51508230）；江苏省自然科学基金项目（BK20130126）。

*通信作者：阮文权（1966—），男，上海人，工学博士，教授，博士研究生导师，主要从事厌氧处理技术和废物资源化研究。E-mail：wqruan@jiangnan.edu.cn

余美娟，赵兴树，陈阳，等.苹果渣与剩余污泥混合消化产氢性能研究[J].食品与生物技术学报，2017，36（08）：792-799.