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1、 SHANGHAI UNIVERSITY 毕业设计（论文）UNDERGRADUATE PROJECT (THESIS)题 目: 初期堆肥渗滤液的营养作用对于强化厌氧制氢能力研究学 院 环境与化学工程学院专 业 环境工程学 号 05121955学生姓名 指导教师 起讫日期 2009年3月至2010年5月初期堆肥渗滤液的营养作用对于强化厌氧制氢能力研究摘 要本文对初期堆肥渗滤液作为营养源在以混合培养基的发酵过产氢程中的作用进行了研究。外加葡萄糖混合渗滤液的最佳条件通过响应曲面法（RSM）来预测。模型表明，最大累积氢量（469.74 mL）和分子产氢量（1.5988）于3383.20mg/ L葡萄糖
2、和渗滤液加入量为6174.93mg COD/ L。根据该模型预测的最佳条件，本文通过另外4个试验验证模型所预测的最优条件和评估渗滤液废水在与果汁废水共发酵中的作用。在共发酵实验中，得到的最大累积产氢体积为（587.05 15.08mL），分子氢气产量达到2.06 0.06 mol H2/mol glucose。此外，在各个实验中醋酸，丁酸为最主要的液相中的挥发性脂肪酸，它们的值与各个实验分子产氢量相符合。关键词：初期堆肥渗滤液；混合培养基；营养源；响应曲面法；挥发性脂肪酸；3ABSTRACTThe function of fresh compost leachate as nutrient s
3、ource during the process of fermentative hydrogen process with mixed culture was studied. The optimum conditions of the batch tests by mixing leachate with glucose were predicted by response surface methodology (RSM). The models showed the maximum cumulative hydrogen volume (469.74 mL) and molar hyd
4、rogen yield (1.5988) could be achieved at 3383.20 mg/L glucose and 6174.93 mg COD/L leachate respectively. According to the optimal conditions predicted by the models, another four tests were carried out to validate the predicted values and evaluate the effect of the leachate in co-fermentation with
5、 juice waste water. The maximum cumulative hydrogen volume (587.05 15.08mL) was obtained in co-fermentation test, and the molar hydrogen yield reached 2.06 0.06 mol H2/mol glucose. Besides, acetic and butyric acids were the dominant liquid end products and the amount of these two volatile fatty acid
6、s (VFA) was consistent with the molar hydrogen yield of each test.Keywords: fresh compost leachate; mixed culture; nutrient source; response surface methodology; volatile fatty acid.目录摘 要2ABSTRACT3目录4第一章 绪论41.1 研究课题的背景及意义41.1.1 我国资源环境现状51.1.2 氢能意义61.1.3氢能的开发现状61.2 国内外研究及应用进展71.2.1生物制氢研究现状及应用前景71.2.2
7、微生物制氢的研究现状81.3 厌氧发酵产氢机理91.3.1生物产氢的过程91.3.2产氢微生物141.3.3微生物厌氧发酵产氢的反应原理151.4 实验目的与研究内容18第二章 实验材料与方法202.1 渗滤液和果汁废水的性质202.2 接种污泥202.3 序批式实验202.4 检测方法212.5 响应曲面实验设计及统计分析方法24第三章 结果分析及讨论263.1 响应曲面分析263.2 糖含量与渗滤液加入量的交互作用323.3 对模型的验证和共发酵实验343.4 液相最终产物35第四章 结论43致 谢44参考文献45附录：1 英文文献502.中文文献59第一章 绪论1.1 研究课题的背景及意
8、义能源是人类赖以生存的基础，是社会经济发展的动力，它与社会经济的发展和人类的生活息息相关，开发和利用能源资源始终贯穿于社会文明发展的整个过程。能源短缺和环境污染是新世纪人类所面临的重大挑战，利用污泥厌氧发酵产氢，既可解决污泥的环境污染问题，又可制备清洁的燃料能源。从能源构成情况来看，包括我国在内的世界绝大多数国家都把石油和煤炭等矿物性燃料做作为基本能源，把发展石油和煤炭工业作为能源开发和利用的基础1。诚然，石油和煤炭具有还能量高，易于开发和利用等多方面的优点，但它们是不可再生能源，且由于大规模开发和广泛应用，已经严重影响了人类生存环境的质量，破坏了生态平衡。1.1.1 我国资源环境现状我国是一
9、个人均自然资源短缺的国家。长期以来的粗放型经济增长虽然实现了较高的经济增长速度，但在资源环境方面却付出了较大的代价，单位GDP能源消耗持续上升，主要污染物排放总量连年增长。严峻的资源环境形势己经成为我国可持续发展的重要制约。国家环保总局、国家统计局、国家发展改革委在2007年8月21日发布的200年上半年各省、自治区、直辖市主要污染物排放量指标公报中结果显示，今年上半年，全国二氧化硫排放总量1263.4万吨，与去年同期相比下降0.88%;化学需氧量排放总量691.3万吨，与去年同期相比增长0.24%。“从今年上半年的情况看，节能减排面临的形势仍然十分严峻。”在十届全国人大常委会第二十九次会议上
10、，国家发展和改革委员会主任马凯就国务院关于节约能源保护环境工作情况作了报告。我国二氧化硫排放量的90%是由燃煤造成的，快速增长的能源消费成为我国大气污染的主要来源。高耗能高污染的企业继续增长导致了COD排放量的继续增加。因此，目前我国在实行节能降耗减排、循环经济等资源环境政策的同时，开发清洁能源、替代能源是势在必行的。氢能是理想的清洁能源和替代能源之一，已经广泛引起人们的重视。为了控制水污染和实现污水资源化，我国政府在2005年年底提出了城市污水处理率2010年要达到70%的目标，重点城市的污水处理率在2010年要达到80%，中小城市达到60%到70%。2000年我国城市污水处理率仅达到34%
11、，截至2005年年底，我国城市污水处理率己达52%，未来城市污水处理率必将大幅提高，相应市政污泥量将随之大大增加。此外，随着废水处理技术的进一步推广和发展以及废水排放标准制定的日趋严格，排放的污泥量也将大大增加。因此寻求经济有效的减量化、无害化和资源化的污泥处理利用技术，兼顾生态效益、环境效益。将污泥通过厌氧发酵转为清洁能源氢气，不仅可解决污泥的处置问题，也可在一定程度上减少对化石燃料的依赖，进而减少由于使用化石燃料所造成的环境污染问题。因此，本研究不但具有开发新能源、节省能源及解决污泥问题的重要意义，而且还能为社会带来显著的经济和环境生态效益，在倡导绿色化学、清洁化工的21世纪具有极其诱人的
12、应用前景。1.1.2 氢能意义化石燃料资源的日趋匮乏以及化石燃料的使用对环境产生的巨大危害要求人类加速研发洁净、高效、可再生的能源，改善能源结构，实验可持续发展。由于氢能作为一种高效、可再生的燃料，在燃烧时只生成水，不产生任何污染物，甚至也不产生CO2，可以实现真正的“零排放”，是一种理想的清洁能源，正日益受到人们的重视。国际上的氢能制备工艺主要有电解制氢、热解制氢、光化制氢、放射能水解制氢、等离子电化学法制氢、矿石燃料制氢和生物制氢等2在这些方法中，96%的氢气都是从天然的碳氢化合物天然气、煤、石油产品中提取出来的，4%是用水电解制氢技术制取的。生物制氢是一项利用微生物的生理代谢作用分解有机
13、物从而产生氢气的生物工程技术，它是一种符合可持续发展战略的可再生能源，除了生物制氢技术外，其他的制氢技术都要消耗大量的化石能源，而且也要在生产过程中造成环境污染，所以采用生物制氢技术，可减少环境污染，节约不可再生能源。发展生物质的微生物制氢对我国能源结构调整和可持续发展具有非常迫切和重要的意义，对于解决未来能源的可持续发展问题也具有十分重要的普遍意义。3.41.1.3氢能的开发现状氢能的开发就目前状况而言，主要以工业生产为主，工业化生产大都采用物化或需消耗大量的电能，或需消耗矿物原料，使氢气生产成本过高，并且不能达到减能源消耗的目的，从而限制了氢能的发展。而生物制氢是利用某些微生物以有机物基质
14、通过发酵及光合作用产生氢气的一种制氢方法，由于该方法可以在降解有机物同时产生氢气，因此，己成为目前的研究热点4。生物制氢技术可以通过对高浓度有机废水处理同时获得清洁能源氢气，而以氢定化产氢污泥降解高浓度有机废水制氢研究燃料替代煤和石油等化石燃料的使用又可以减少50%的排放量。因此，开发生物制氢技术不仅符合我国节能降耗减排、循环经济的资源环境政策，还是解决我国能源问题、环境问题的重要途径之一。1.2 国内外研究及应用进展1.2.1生物制氢研究现状及应用前景当今世界，人们对促进经济和环境协调发展，实施可持续发展战略已形成共识。寻求能源合理利用的新途径，开发其它新能源，已成为人类迫切需要解决的课题。
15、由于清洁、高效、可再生等突出的特点，在21世纪，氢气有着十分光明的应用前景，它的应用领域也在不断的扩大。当前，氢能源的开发和利用技术已成为科学研究中的热点课题，日本的东京电器公用事业公司已经建设了第二条氢燃料电池发电生产线11MW的燃料电池发电厂；日本丰田汽车公司研制出了氢燃料电池汽车，日本武藏工业大学先后研制了8个型号的系列氢能汽车，德国的Dalmler-Benz公司也开发出了贮氢材料型的氢能汽车；美国的波音公司对超音速飞机适用液氢燃料的可行性进行了研究5。氢的应用已不仅仅局限于能源领域，氢气在其它领域也有广泛的用途，如化工合成、炼油重整、甲醇合成、煤的液化和甲烷化、航空航天以及金属冶金、电
16、子、焊接、食品等领域。随着氢气用途的增加，氢气的需求量在迅速增长，常规的制氢方法已经无法适应社会发展的需要，尤其是面临严峻的世界性环境危机，从国内到国外都在大力推进和支持废物综合利用、节能高效的清洁生产项目，研究开发适应社会发展需求的制氢技术已是当务之急。生物制氢技术因其具有清洁、节能和不消耗矿物资源等许多突出优点而倍受世人关注，有关的技术研究在世界各国的共同努力下，不断取得进展。在人类进入21世纪之际，考虑到所面临的资源短缺和环境问题，开发清洁的生物制氢技术，其重要意义是毋庸置疑的，其发展前景是令人鼓舞的。有理由相信在不远的将来，生物制氢的产业化生产就会成为现实，该项技术的研究开发及推广应用
17、，将带来显著的经济效益、环境效益和社会效益。目前人们对发酵法生物制氢的研究越来越多，常用葡萄糖、蔗糖、淀粉废水等6。7来厌氧发酵法生物制氢，也有人采用秸秆8、餐厨垃圾9、城市有机固体废弃物10和生活垃圾11等。如我国哈尔滨工业大学任南琪教授是利用糖厂有机废水以厌氧活性污泥为接种体进行发酵产氢，在发酵产氢代谢类型、高效产氢菌株及其生理生态学、连续流废水制氢设备等方面取得了许多卓有成效的研究成果12.13.14，1999年率先在国际上完成中试研究，最高稳定产氢速度达到5.7 m3/（m3反应器d）15.16，其中利用糖蜜废水连续运行生物制氢反应器已获得了连续制氢生产的小试17.18.19和中试实验
18、结果20.21.22。日本东京大学等23曾将餐厅剩菜与粪便污泥和污水处理厂的污泥混合配成培养基料，利用两种菌株（预热处理的活性污泥和制氢菌）在37下进行发酵制氢，发现在这两种产氢菌作用下固体有机废弃物的产氢潜力分别高达140 mL/gTVS 和180 ml/gTVS。Okamoto等24对米饭、卷心菜、胡萝卜、鸡蛋、瘦肉、脂肪和鸡皮进行发酵产氢试验，结果为胡萝卜产氢率是44.970.7 ml/gVS，卷心菜产氢率为26.361.7 ml/gVS，米饭产氢率为19.396.0 mLgVS，其余各种产氢比较少。胡萝卜、卷心菜和米饭发酵产气中氢气含量分别为27.746.8%，33.955.1%和44
19、.045.6%。云南师范大学的张无敌，卢怡等25，.26研究了农村固体废弃物如猪粪、稻草和秸秆的发酵产氢的潜力。 生物制氢的研究虽然在机理及实用系统的开发方面有很大的进展，但基本上仍处于开发阶段上。研究刚刚起步，很多问题尚有待深入研究，特别是关于各种不同固体底料的产氢能力、高效产氢菌株的筛选、高效产氢反应器的设计、产氢代谢机理的研究以及如何克服目前生物质发酵产氢中存在的三大难点:能源转化率太低，农村固体有机废弃物的发酵产氢研究发现其能源转化率仅为发酵产甲烷的40%左右；有机酸累积问题，据文献报道，美国城市生活垃圾发酵过程中有机脂肪酸累积到1300020000 mg/L，时酸化反应就会停止，而此
20、时固体物料的气化率尚不到4%，所以如何解决有机酸问题是提高能源转化率的一个关键问题；如何抑制产甲烷菌同时激活产氢菌。1.2.2微生物制氢的研究现状厌氧发酵制氢是一种有效、经济和可持续发展的制氢技术。目前国内外在厌氧产氢污泥驯化、不同基质的产氢潜能、厌氧发酵制氢的影响因素和厌氧发酵制氢数学模式等方面的研究己取得了一定的进展，但尚有许多理论和技术难题需要解决。生物制氢的方法很多，但主要有两种方式:一是:非固定化悬浮菌种制氢，二是:固定化微生物制氢。一般来说，悬浮制氢系统存在菌液被洗出、细胞浓度无法提升及制氢效率低等缺点，因此，若利用悬浮微生物进行制氢则需要较大的反应器体积，国外多以固定化技术进行生
21、物制氢研究为主，其优点是固定化微生物可以提高单位体积的细胞量及制氢酶的制氢稳定性的提高，从而可实现较高的制氢率和连续稳定的制氢，并为制氢机理及技术理论的摸索研究提供基础。国内的研究起步较晚，且大部分都集中在非固定化悬浮菌种制氢，目前也取得了较大的研究成果。但是国内学者多采用非固定化微生物进行制氢试验，以间歇试验为主，连续的制氢试验实现较困难，微生物制氢酶的稳定性较差，不利于后续的微生物制氢研究及实现生物制氢工业化。1.3 厌氧发酵产氢机理1.3.1生物产氢的过程微生物产氢是指不同微生物参与的生物产氢系统，如:绿海藻、青蓝色的细菌(或蓝绿藻)，光合细菌和发酵细菌。通常生物产氢的过程可分为下列几种
22、:（1）光合作用光和作用(BioPhotolysis)是指:光合细菌将水分子水解产生氢气的过程。藻类的氢气光子发展理论是由Gaffron和Rubin首先提出的27。后来有不少学者开始进行藻类生产氢气的研究，其中Bonemanll等人28研究氧气对水解反应的影响，他们建立一个直接的生物光分解程序，在植物的光合作用中电子从水流动至两个光系统(PSI和PS11)，可由下列表示:H2O PSPSFdHydrogenase H2 （1-1） O2 然而，产氢速率却远低于二氧化碳的还原作用。在生物光解作用期间，微量的氧气会抑制产氢酶的活性使得氢气产量降低28。许多特殊种类的海藻被分类成绿藻，在黑暗中经过长
23、期的厌氧环境，产氢酶会被活化和合成，进而产生少量的氢气。当被光照时，产氢量通常会急剧增加，但最终还是回复到一般的光合作用(氧气产生、二氧化碳固定)。（2）光发酵产氢有机物被光合细菌分解的过程，经过FelTedoxin及Nitrogenase酵素的作用产生氢气。现有文献指出光合细菌是最有希望的产氢微生物29-33，主要的优点有以下几个方面：1）有最高的理论转化率；2）能够利用频率宽广的光；3）可以利用在废水处理上。光发酵的整体生化反应路径可由下列途径表示：CH2O2FerredoxiNitrgenasH2 ATP ATP （1-2）光合细菌也可将一氧化碳转换成氢气34，可由下列简短的反应表示：C
24、O + H2O CO2 + H2 （1-3）（3）暗发酵产氢厌氧消化过程是一个非常复杂的，由多种微生物共和做的生化过程。对厌氧笑话的生化过程一般有两阶段理论，三阶段理论和四种群理论三种见解。A两阶段理论该理论是由Thumm，Reichie（1914年）和Imhoff（1966年）提出，经Buswell，Neave完善而成的，它将有机物厌氧消化过程分为酸性发酵和碱性发酵两个阶段。两阶段理论如图1-1所示。碱性发酵作用H2，CO2，NH4+，H2S有机酸和醇类酸性发酵作用复杂有机物（糖类，脂类，蛋白质量）CH4。CO2。H2S，H2 第一阶段碱性发酵阶段段第二阶段酸性发酵阶段图1-1 两阶段理论示
25、意图在第一阶段，复杂的有机物（如糖类，脂类和蛋白质等）在产酸菌（厌氧和兼性厌氧菌）的作用下被分解成为低分子的中间产物，主要是一些分子有机酸（如乙酸，丙酸，丁酸）和醇类（如乙醇），并有氢，CO2,NH4+,H2S等气体产生。由于该阶段有大量的脂肪酸产生，使发酵液的PH值降低，所以此阶段被称为酸性发酵阶段，又称为产酸阶段。在第二阶段，产甲烷君（专性厌氧菌）将第一阶段产生的中间产物继续分解成CH4,CO2等。由于有机酸在第二阶段的不断被转化为CH4和CO2等。同时系统中有NH4+存在，使发酵液的PH值升高，所以此阶段被称为碱性发酵阶段，又成为产甲烷阶段。因为有机物厌氧消化的最终产物主要是CH4和CO
26、2的能量含量很高，所以有机物厌氧消化过程释放的能量比较少，这与好氧发应不同，好氧反应的主要产物是CO2和H2O,H2O是一般反应的最终产物，含量低，在反应的过程中自身将释放大量的能量，所以好氧反应的温度较高，而厌氧反应，若要维持较高的温度，将从外界输入热量。厌氧消化的两阶段理论，几十年来一直占统治地位，在国内外厌氧消化的专著和教科书中一直被广泛应用。B三阶段理论随着厌氧微生物学研究的不断进展，人们对厌氧消化的生物学过程和生化过程的认识不断深化，厌氧消化理论得到不断发展。1797年，M.P.Bryant（布赖恩）根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果，在两阶段理论的基础上，提出了三阶段理论。该理
27、论将厌氧发酵分成三个阶段，三个阶段有不同的菌群。该理论认为产甲烷菌不能利用除乙酸，H2/CO2和甲醇等以为的有机酸和醇类，长链脂肪酸和醇类必须经过产氢产乙酸菌转化为乙酸，H2和CO2等后，才能被产甲烷菌利用。三阶段理论突出地表明氢的产生和利用在发酵过程中占有的核心地位，较好的解决了两阶段的矛盾。第一阶段，水解和发酵。在这一阶段中复杂有机物在微生物（发酵菌）作用下进行水解和发酵。多糖先水解为单糖，再通过酵解途径进一步发酵成乙醇和脂肪酸等。蛋白质则先水解为氨基酸，再经脱氨基作用产生脂肪酸和氨。脂类转化为脂肪酸和甘油，再转化为脂肪酸和醇类。第二阶段，产氢，产乙酸（即酸化阶段）。在产氢产乙酸菌的作用下
28、，把除甲酸，乙酸，甲胺，甲醇以外的第一阶段产生的中间产物，如脂肪酸（丙酸，丁酸）和醇类（乙醇）等水溶性小分子转化为乙酸，H2和CO2 。第三阶段，产甲烷阶段。甲烷菌把甲酸，乙酸，甲胺，甲醇和（H2+CO2）等基质通过不同的路径转化为甲烷，其中最主要的基质为乙酸和（H2+CO2）。厌氧消化过程约有70%甲烷来自乙酸的分解，少量来源于H2和CO2的合成。从发酵原料的物性变化来看，水解的结果使悬浮的固态有机物溶解，称之为“液化”。发酵菌和产氢产乙酸菌依次将水解产物转化为有机酸，使溶液显酸性，称之为“酸化”。甲烷菌将乙酸等转化为甲烷和二氧化碳等气体，称之为“气化”。三阶段理论是目前厌氧消化理论研究相对
29、透彻，相对得到公认的一种理论。三阶段理论如图1-2所示。有机物（多糖，蛋白质，脂肪）A类有机物NH3,H2S水解，发酵作用产氢，产乙酸作用产甲烷作用CH4,CO2NH3,H2SB类有机物CO2,H2氢乙酸第一阶段水解，发酵阶段第二阶段产氢，产乙酸阶段产甲烷阶段第三阶段图 1-2 三阶段理论示意图C四种群理论：1979年，J.G.Zeikus在第一届国际厌氧 消化会议上提出了四种群说理论（四阶段理论）。该理论认为参与厌氧消化菌，除水解发酵菌，产氢产乙酸菌，产甲烷菌外，还有一个同型产乙酸菌种群。这类菌可将中间代谢物的H2和CO2（甲烷菌能直接利用的一组基质）转化为乙酸（甲烷菌能直接利用的另一组基质
30、）。厌氧发酵过程分为四个阶段，各类菌群的有效代谢均相互密切连贯，达到一定的平衡，不能单独分开，是相互制约和促进的过程。四种群说理论如图1-3所示。复杂有机物（糖类，脂类，蛋白质）有机酸，醇类类菌：水解发酵菌H2,CO2,甲酸，甲醇乙酸最终产物：CH4+CO2类菌：产氢产乙酸菌类菌：同型产乙酸菌类菌：产甲烷菌图 1-3 四种群理论示意图由图1-3可知，复杂有机物在第类菌（水解发酵菌）作用下被转化为有机酸和醇类，有机酸和醇类在第类菌（产氢产乙酸菌）作用下转化为乙酸，H2/CO2，甲醇，甲酸等。第类菌（同型产乙酸菌）将少部分H2和CO2转化为乙酸。最后，第类菌（产甲烷菌）把乙酸，H2/CO2,甲醇，
31、甲酸等分解为最终的产物CH4和CO2。在有硫酸盐存在的条件下，硫酸盐还原菌也将参与厌氧消化过程。暗发酵产氢在产氢的过程上有许多优点是其它菌群所不能比拟的，如1)发酵菌种有非常高的产氢代谢率；2)可以实现昼夜连续迅速的产氢。3)发酵菌种有较高的成长率。因此，生物暗发酵产氢比光合细菌产氢在微生物产氢上更具有优势。1.3.2产氢微生物制氢微生物主要可分为发酵制氢微生物与光合作用微生物两大类35。具体有以下几种:（1）严格厌氧微生物。该类微生物通过产生丙酮酸或丙酮酸的代谢途径来制氢，如:不含细胞色素系统的Clostridium;利用甲酸盐制氢的甲基营养菌如Methylomonasalbus和Methy
32、losinustrichosporium;分解纤维素的白色瘤胃细菌Ruminoeoeeusalbus;Desulfovibri。desulfuricans;以及可从碳水化合物和多肤制氢的嗜高温古菌(最适生长温度l000C)pyroeoeeusfijriosus等。（2）兼性厌氧微生物。该类微生物能够通过分解甲酸的代谢途径制氢，如:利用甲酸盐制氢的Eseheriehiacoli和利用葡萄糖为碳源制氢的Enterobaeteraerogene等。（3）好氧微生物。某些好氧微生物在厌氧环境中，可利用有机质制氢。如:AlcallgeneseutroPhus和Baeilluslieheniformis等
33、。（4）光合细菌。光合细菌固氮酶催化产生氢气。这类细菌中也存在氢酶，但其主要催化吸氢作用。该类细菌的制氢依赖光照。但它们不能像植物一样利用水作为电子供体，在制氢时需要有机酸作为电子供体。至20世纪80年代，发现的制氢光合细菌己有几十种，要包括红螺菌属(灿odospirillum)、红假单胞菌属(Rllodopseudo:nonas)红细菌属(Rhodobaeter)、红硫菌属(Chxomatium)、和绿硫菌属(Chlorobium)的光合细菌。其中，Rhodobaetere capsulate和Rhodobaeter即aphaeroides等是研究最多的两种细菌。光合细菌可利用光能制氢，尽管
34、它们具有较高的产H2效率，但其利用小分子有机物(如短链的有机酸)为电子供体和还原当量，光能利用率低，并且光合生化反应器的成本和技术要求高，不利于应用和推广;而发酵细菌通过分解有机物，将其中的能量转化为氢能。与光合制氢相比，发酵制氢的优点是不需要光照，底物具有多样性，生长速率较高，生长条件要求简单，从而使成本较低。甚至有些细菌可以分解纤维素类、淀粉等大分子物质制氢，有可能实现废物的资源化和减量化。发酵制氢可分为纯菌发酵和混合菌发酵两种类型，肠细菌适合纯菌发酵，而梭菌属则是混合菌发酵中的优势菌种。1.3.3微生物厌氧发酵产氢的反应原理（1）厌氧发酵的基本原理发酵产氢是利用产氢微生物，在厌氧条件和酸
35、性介质中代谢有机物产生氢气的过程36，垃圾渗滤液的降解和产氢主要是在厌氧条件下微生物的代谢过程，其基本原理是厌氧消化过程一部分。复杂有机物（如纤维素、脂肪和蛋白质等）的降解、转化成CH4、CO2和水的过程是一个多类群细菌的协同代谢过程。在此过程中，不同的微生物的代谢过程相互影响、相互制约，形成复杂的生态系统。厌氧消化一般可分为4个阶段。A水解阶段水解是复杂的非溶解性的聚合物转化为简单的溶解性的单体或者二聚体的过程。高分子有机物相对分子质量巨大，无法透过细胞膜，需要在细胞外酶的水解作用下转变为小分子后，才能被细菌直接利用。因此，这个阶段被认为是含高分子有机物或悬浮物废液厌氧降解的限速阶段37。通
36、常水解反应的方程式可用下式表示： R-X+H2OR-OH+X-+H+ （1-4）B发酵（酸化）阶段经过水解反应后，有机大分子开始进行下一步反应，它可以有两种，一种是有机物分子作为电子受体同时也是电子供体的生物降解过程，被称为发酵；另一种是在此过程中，溶解性有机物被转化成为以挥发性脂肪酸为主的末端产物，此过程被称为酸化。C产氢产乙酸阶段在此阶段，酸化阶段的产物如丙酸、丁酸、乙醇等经产氢产乙酸细菌作用转化为乙酸、氢气和二氧化碳。反应式如下：CH3CH2OH+H2O(乙醇) 产氢产乙酸细菌 CH3COOH+2H2 G0=+19.2 kJ/molCH3CH2CH2COOH+2H2O(丁酸) 产氢产乙酸
37、细菌 CH3COOH+2H2 G0= +48.1 kJ/molCH3CH2COOH+2H2O(丙酸)产氢产乙酸细菌CH3COOH+3H2+CO2 G0= +76.1 kJ/molD产甲烷阶段产甲烷阶段位于有机物厌氧消化的末端。在此阶段，产甲烷细菌将乙酸、氢气和二氧化碳等转化为甲烷。产甲烷细菌所能利用的碳源和能源物质是十分有限的，常见的基质有H2/CO2、甲酸、甲醇、甲胺和乙酸等。根据形成甲烷的基质不同，产甲烷反应可分为三类：H2/CO2形成甲烷、甲醇和甲胺类单碳有机物形成甲烷和乙酸裂解形成甲烷。研究表明，产氢终于厌氧消化的第三阶段，在整个产氢阶段如何抑制产甲烷菌的活性，提高产氢菌的活性，是厌氧
38、消化产氢的关键。（2）厌氧消化产氢的影响因素厌氧发酵产氢的主要影响因素有温度、pH值、C加、氢分压、常量元素和反应器类型等。A温度温度是影响微生物生长和繁殖的重要因素之一。由于微生物的生长和繁殖是通过一系列的生物化学反应来完成的，而生物化学反应的酶促反应特性使得这些反应需要在一定的温度范围内才能正常进行，这就决定了微生物的生长必须在一定的温度范围内才能正常进行。此外，温度还影响细胞质膜的流动性，温度高其流动性大，有利于物质的运输；温度低，流动性降低，不利于物质的运输。因此温度变化影响营养物质的吸收和代谢产物的分泌。人们根据微生物生长的最适宜温度的不同，将微生物分为嗜冷、兼性嗜冷、嗜温、嗜热和超
39、嗜热等5种不同类型。文献中报道的利用发酵细菌产氢的温度绝大部分在嗜温范围，最佳的产氢温度范围通常在30到40之间，其中大多数的研究表明38-39，发酵细菌的最佳产氢温度在35到37之间。也有少数报道的在嗜热温度范围，如Yu等研究发现利用混合发酵细菌产氢的最佳温度是55。BpH值pH是影响微生物生长和繁殖的另一个重要因素。由于微生物生长过程中机体内发生的生物化学反应是酶促反应，而酶促反应都有一个最合适的pH值范围。溶液pH值的改变将直接影响酶的活性中心的存在形式，改变底物分子和酶分子的带电状态，从而影响酶与底物的结合，过高或过低的pH值将会影响酶的稳定性，进而使酶遭到不可逆的破坏导致细菌失活。此
40、外，pH值还同时影响细胞质膜的渗透性、膜结构的稳定性和营养物质的溶解性或电离性，影响营养的代谢和吸收，从而影响微生物的生长速度。因此，不同的微生物生长和繁殖都要求有一个合适的pH值范围，低于或高于这个范围，微生物的生长就会被抑制。文献报道，严格厌氧的丁酸梭菌产氢的最佳pH值范围是6.0到6.5左右，而产气肠杆菌的pH值范围为4.5到6.5之间，最佳的产氢pH值范围为5.5到6.0之间40-43。有关混合细菌产氢的pH值研究的也比较多，但有关混合厌氧发酵产氢的最佳产氢范围的报道分歧也比较大。大部分研究表明44-47：厌氧发酵细菌最佳生长的pH值范围在5.0到6.0之间，最佳产氢pH值范围在5.5
41、左右。也有少数不同的研究结果，如Lin等报道的丁酸型发酵的最佳产氢pH值范围在6.7左右。大量研究表明47-51：pH值对发酵产物组成影响较大。马放等指出，在较高的有机负荷和厌氧条件下，pH值降至4.34.6时，主要末端发酵产物为乙醇。对于乙醇型发酵pH值为4.64.9时，产氢达到最佳状态，最大和平均产氢速率分别为7.63m3/(m3d)和5.60 m3/(m3d)。C氢气分压Lina等53研究了氢分压对产氢的影响。他们向反应器鼓氮气，增加混合程度，减少氢分压使氢气顺利逸出，提高了反应速率、比产氢率和产氢率。D离子浓度郝小龙等54研究了Na+离子浓度对有机废水厌氧发酵制氢的影响。研究表明:当N
42、a+离子浓度在10002000mg/L时，对厌氧发酵制氢有促进作用;当Na+离子浓度在800016000mg/L时，对厌氧发酵制氢有很大抑制作用:而较低的Na+离子浓度对厌氧发酵产氢菌群的生长产生不良影响。E反应器类型任南琪等55l认为CSTR型生物制氢反应器的性能明显优于UASB型反应器，并研制出一种有机废水连续流生物制氢反应器，利用厌氧活性污泥对碳水化合物的乙醇型发酵制取氢气，产氢能力达10.4m3H2/(m3反应器.d)，比产氢率达36mLH2/(g菌体.h)，发酵气体中H2体积分数达到48%。1.4 实验目的与研究内容在各种制氢方法，暗发酵似乎是最环保的优势和方法 46 。在过去20年
43、里，混合菌落产氢吸引了更多的注意力，因为它有很多优势：不需要进行无菌的操作；更能提高其适应能力提供高微生物多样性；更易进行协同发酵产氢等。营养元素的添加是用来提高微生物菌群的活性来处理难降解有机物的废水。然而大部分实验中人工合成基质被用作营养源，这显然是成本巨大且不利于生物制氢商业化应用的。基于这些考虑，共发酵底物的添加由于其积极的协同作用如互相补充所缺乏的营养元素而增强了体系产氢的能力46。在本实验中我们采用初期堆肥渗滤液作为营养元素，用堆肥渗滤液的优势如下所示1）渗滤液里的高氮浓度可提高充足的氮源2）充足的重金属元素特别是铁含量，可以影响到产氢酶的活性。3）堆肥过程中存在在渗滤液中的微生物
44、能拓展产氢体系的生物多样性4）出水的高挥发性脂肪酸含量有利于下一步的后续处理如甲烷化。因此，本实验的目的在于研究使用初期堆肥渗滤液作为营养源的可行性，最优的渗滤液与外加葡萄糖的配比通过响应曲面法获得，此外，我们还通过渗滤液与果汁废水的共发酵实验来研究渗滤液在共发酵体系中的作用。研究内容是否多写一点第二章 实验材料与方法2.1 渗滤液和果汁废水的性质本文所用渗滤液取自浦东美商生活垃圾堆肥工厂。这家工厂有一个日处理垃生活垃圾的日处理量约为1500吨，每天100吨垃圾渗滤液，而果汁废水收集自上海某饮料公司调节池废水。垃圾渗滤液和果汁废水成分的性质如表2-1所示。表2-1 堆肥渗滤液和果汁废水成分分析
45、 (unit单位: mg l-1/L)参数堆肥渗滤液果汁废水CODcr55689 12408总氮18380nd总磷71357葡萄糖 967.811050蛋白质14400nd2.2 接种污泥本课题所使用的厌氧颗粒污泥取自一个大型化规模柠檬酸厂的IC反应器中，接种污泥由0.28至2毫米mm的黑色颗粒组成。混合液悬浮固体浓度（Mixed liquor suspended solids，MLSS）为41362 mg/L，混合液挥发性悬浮固体浓度（Mixed liquor volatile suspended solids，MLVSS）为30472 mg/L，使用前接种污泥先通过自来水洗五次，然后通过筛
46、选去除砂石等杂质。随后污泥通过水浴加热至99oC并维持 90min来抑制产甲烷菌的活性，从而富集产氢细菌，提高产氢的效果。2.3 序批式实验实验将500 mL锥形瓶、500 mL洗气瓶、1000 mL聚水灌组成一套反应装置，在500 mL锥形瓶中投加50 mL颗粒污泥与400 mL试验用混合液体，混合液体由一定比例的垃圾填埋初期渗滤液分别和一定含量的葡萄糖以及一定比例的果汁废水混合所得。将装有混合液体的锥形瓶密封，放在恒温水浴振荡器中震荡在35oC1oC温度下进行厌氧发酵产氢，产气从液面上方的排气管中排出，渐渐进入注满水的集气瓶，随着反应的不断进行，气体会将集气瓶中的水排到聚水灌中，根据集气瓶中的显示的液面刻度，计算产气的量。所有批次的实验的初始pH控制在5.5左右补充序批装置图。图2-1 序批式实验装置简图2.4 检测方法实验过程中对反应前后的进出这个对吗？水CODCr、pH、VFAs，TP,TN,总糖蛋白质含量，发酵气体产量、氢气含量进行了分析。pH：（Mettler-toledo）Delta320型酸度计。COD：重铬酸钾法57。TN：过硫酸钾氧化-紫外分光光度法。TP：钼锑抗分光光度法。产气中的氢气含