利用养殖场废水厌氧发酵生物制氢技术研究
污水厂剩余污泥水解及其厌氧发酵产氢技术研究
污水厂剩余污泥水解及其厌氧发酵产氢技术研究引言随着城市人口的增加和经济的发展，污水厂处理的废水量也不断增加。
处理污水生成的剩余污泥成为一个重要的环境问题。
目前，大多数污水处理厂将剩余污泥堆填或填埋，给环境带来了很大的负担。
因此，开发有效利用剩余污泥的方法已成为亟待解决的问题。
本文将探讨一种新技术，即污水厂剩余污泥的水解和厌氧发酵产氢技术。
一、污水厂剩余污泥的水解过程1. 水解原理水解是将有机物分解为小分子有机物或无机物的过程。
在剩余污泥的水解过程中，主要通过催化剂和微生物的作用将复杂的有机物分解成简单的有机物。
2. 水解反应机制水解反应主要分为两个步骤：底物降解和生成氢。
底物降解是指水解细菌通过酶的作用将复杂的有机物分解成简单的有机酸等。
生成氢是指水解细菌通过代谢过程将有机酸等转化为氢气。
3. 影响水解反应的因素水解反应的速率受到温度、pH值、底物浓度、微生物种类和催化剂等因素的影响。
二、厌氧发酵产氢技术1. 厌氧发酵产氢原理厌氧发酵产氢是一种微生物代谢过程，通过厌氧发酵作用将有机废弃物转化为氢气。
其中，水解是转化过程的前期，生成氢是转化过程的后期。
2. 厌氧发酵产氢反应机制厌氧发酵产氢反应主要通过厌氧细菌的代谢过程来实现。
在不同的环境条件下，具有产氢能力的细菌被优先选择，并通过产氢酶将底物转化为氢气。
3. 影响厌氧发酵产氢的因素温度、pH值、底物浓度、颗粒污泥的灰分等因素都对厌氧发酵产氢有着重要影响。
三、污泥水解及其厌氧发酵产氢技术应用1. 增加底物浓度在剩余污泥的处理过程中，可以通过增加底物浓度来提高水解和发酵产氢的效果。
但过高的底物浓度可能导致微生物活性下降。
2. 优化环境条件适宜的温度和pH值是促使水解和发酵反应的关键。
适当的环境条件可以提高底物的降解效率和产氢气体量。
3. 选择合适的催化剂催化剂的选择对剩余污泥的水解和发酵产氢过程具有重要影响。
不同催化剂有不同的催化效果和适应性。
结论污水厂剩余污泥的水解和厌氧发酵产氢技术是一种有效利用剩余污泥的方法。
厌氧发酵法生物制氢研究进展
农 机 化 研 究
维普资讯
第 １ ０期
厌 氧 发 酵 法 生 物 制 氢 研 究 进 展
张 召 ，宋 欣
（山东 大学 生命 科 学 学 院 ，济 南 ２０Ｏ ５ １ ０）
摘 要 ：以农 作 物秸 秆 等 廉 价 资 源 为 原 料 ，与 废 弃 生 物 质 处 理 相 结 合 ，采 用厌 氧 发 酵 法 制 取 氢 气 的技 术 具
环境 也 有 一 定 的 污染 ，这 些 都 限 制 了氢 能 的应 用 与
１ 与产 氢 相 关 的 酶
产 氢 微 生 物 之 所 以 能够 产 生 氢气 ，与 它 们 体 内
推 广 ；而生 物 制 氢 对 环 境 没 有 任何 污 染 ，利 用 的是 可 再 生 资 源 ，可 以循 环 往 复 …。此 外 ，生 物 制 氢 工
的应 用 前 景 。
根 据 所 选 用 的微 生 物 、 氢 底 物 及 其 产氢 机 理 ， 产 生 物 制 氢 可 以分 为 蓝 细 菌 和绿 藻制 氢 、光 合 细 菌 制
氢 及 厌 氧 发 酵 制 氢 等 ３种 类 型 。 其 中 ，发 酵 法 制
氢 在 许 多 方 面 表 现 出更 多 的优 越 性 ：一 是 发 酵 产 氢 菌 种 的产 氢 能 力 高 于 光 合 产 氢 菌种 ，而 且 发 酵 产 氢 细 菌 的生 长 速 率 一 般 比光 解 产氢 生 物 要 快 ；二 是 发
三 是 制 氢 设 备 的 反 应 容 积 可 达 到 足 够 大 ，从 而 在 规
模 上 提 高 单 台设 备 的 产 氢 量 ； 四是 可 生 物 降 解 的工
农 业 有 机 废 料 都 可 能成 为 发 酵 法 生 物 制 氢 的原 料 ， 来 源 广 泛 且 成 本 低 廉 ；五 是 兼 性 的 发 酵 产 氢 细 菌 更 易 于 保 存 和运 输 ＇ 。所 以 ，发 酵 法 生 物 制 氢 技 术 更 容易实现工业化生产 。 发 酵 法 制 氢 的研 究 起 始 于 ２ ０世 纪 ９ ０年 代 。相 关 学 者 在 该 领 域 做 了大 量 的研 究 工 作 ，主 要 对 发 酵 法 生 物 制 氢 的相 关 研 究 进 展 进 行 了 总 结 ，并 对 其 未 来 发 展 进 行 了展 望 。
厌氧菌发酵生物制氢技术试验分析
厌氧发酵生物制氢越来越得到人们的关注和重视，与传统的制氢 方法相比较而言， 生物制氢技术对环境无污染 ， 且能耗低。目 前， 人类面 临的两大难题是环境污染与能源的不断减少。作为比较理想的载能体 ， 氢气能够替代传统化石能源， 它被广泛应用于玻璃 、 电子 、 冶金 以及食 品中。 氢气对环境没有污染， 水是其唯一的燃烧产物 ， 且燃烧值高。 其中， 通过分解或者电解， 水被生成氢气， 氢气洁净燃烧、 热密度大 ， 被公认为 可再生 、 高效 、 清洁的最具潜 力的可再 生绿色能 源。在十九 世纪 ， 人们发 现藻类 和细菌能够 产生分子氢 。随着社会 发展 和时间 的推移 ， 人 类才逐 渐开始 了各种生 物氢技术 和生物氢 来源 的研究 。根据选用 的微生物 、 产 氢底物的不同， 生物制氢的方法也各异。我们把制氢的方法分为 ： 厌氧 发酵制氢、 光合细菌制氢、 绿藻和蓝细菌制氢三种。其中， 厌氧细菌在厌 氧、 黑暗条件下分解的有机物产生出氢气 ， 我们将其称之为黑暗发酵产 氢或 者厌氧发 酵产氢 。 厌 氧发酵制 氢的优点是 其反应器 的设 计简捷 、 简 单， 产 氢的速 度快 。它采用 了产氢菌 厌氧发 酵 ， 可 以利 用废 弃有机 物 和 再 生资源进行 生产 。 １厌 氧菌发酵生 物制氢 直 以来 ， 人 们对厌 氧发 酵制氢 的基本原 理 的研 究具有 很高 的热 情， 因为新创造和新思路的实现必须依据发酵制氢的原理。废品、 垃圾 等废弃物作为厌氧发酵的底物是常见的原料。厌氧发酵底物范围的广 泛 是能更有效 地制氢 的前 提 。 葡 萄糖在发酵 的过程 中的碳 源 ， 它生产 出 氢气、 丁酸与乙酸。经过丙酮酸脱羧作用， 产氢细菌直接产氢， 其方式可 分为两种 ： 一是肠 道杆菌 型 ， 丙酮 酸脱羧 后形 成 的 甲酸部 分或 全部分 裂 解 转换为 Ｈ 与Ｃ Ｏ ： ， 甲酸裂解产生 Ｈ 的过程如 图 １ 所示 。
厌氧发酵生物制氢试验研究
收稿日期:2004-08-06;修订日期:2004-09-11 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2003CB214500);河南省科技攻关项目(0346650006) 作者简介:任保增(1962-),男,河南省新野县人,郑州大学副教授,博士,主要从事绿色化工方面的教学与科研工作. 文章编号:1671-6833(2004)04-0064-03厌氧发酵生物制氢试验研究任保增,唐大惠,李 扬,胡庆丽,樊耀亭(郑州大学化工学院,河南郑州450002)摘 要:在摇瓶试验的基础上,利用经预处理的牛粪堆肥作天然厌氧微生物菌种来源,对模拟有机废水的生物制氢研究进行了小规模实验.结果显示:在实验条件下,反应器具有140mL/(L ・h )的持续产氢能力,平均氢含量50%左右,COD 的平均去除率30%左右;蔗糖产氢能力174mL/g,效果显著,为该生物制氢研究在工业发展中的可行性提供了理论依据.关键词:生物制氢;牛粪堆肥;厌氧发酵;模拟有机废水中图分类号:TQ11612 文献标识码:A0 引言随着经济的发展,人们对能源的需求日益增加,因此氢气作为高效,清洁的二次能源受到人们的高度重视.传统的制氢方法有水电解法、烃类的水蒸气重整制氢法及重油(或渣油)部分氧化重整制氢法,但这些方法中有的效率低,有的成本高,耗能也高.近年来,生物制氢由于可以克服传统制氢方法的诸多缺陷而备受人们的关注.其中利用厌氧微生物的产酸发酵过程进行氢气生产的生物技术,尤其受到了人们的重视[1～3].为了探讨利用经预处理的牛粪堆肥作为天然厌氧微生物来源,进行工业化生物制氢的可行性,作者在摇瓶试验研究的基础上[4],进行了小规模的模拟有机废水发酵生物制氢放大技术研究.1 实验部分111 实验材料以牛粪堆肥作为天然厌氧微生物菌种来源,处理蔗糖模拟有机废水.通过适当补充的N 、P,使w (COD )∶w (N )∶w (P )=(500～1000)∶5∶1,并添加其他无机微量营养元素.112 主要仪器和分析方法气量测定:湿式气体流量计(额定流量012m 3/h,误差±1%),pH 值用1mol/L 的NaOH 溶液调节.其他详见文献[4].113 实验方法在批式培养反应器中实现生物制氢的基础上,我们自行设计了6L 容积的放大反应器,反应区容积为5L.试验首先对牛粪堆肥进行预处理,实验表明,经曝气处理过的牛粪堆肥都表现出较好的产氢能力;接着采用生长细胞培养转化法,将底物直接加到微生物培养基中,利用微生物自身繁殖生长的同时对底物进行转化.采用摇瓶试验研究所得到的最佳工艺条件,用于放大试验中的制氢反应器进行控制运行.2 结果与分析211 有机废水负荷对产氢能力的影响试验研究中,在控制适宜的温度,pH 值及搅拌器搅拌速率等条件下,对发酵生物制氢反应器的最适有机负荷范围及最大产氢能力进行了研究.从有机负荷对产氢速率的影响(图1)来看,在较低负荷条件下,生物制氢反应器的产气速率随容积负荷的增加而迅速增加,在容积负荷达到50gCOD/(L ・d )后,产气速率不再随容积负荷的增加而增加反而有所降低,这是由于容积负荷超过一定值时,絮凝颗粒内物质的传质速率,以及传热性能并无明显的提高,所以造成底物转化不完全.另外,有机负荷过高也使产氢菌细胞内总有机酸含量增加,而导致细菌活性降低.从图1所表示的产氢能力可以看出,在30～2004年 12月第25卷 第4期郑州大学学报(工学版)JournalofZhengzhouUniversity (EngineeringScience )Dec. 2004Vol.25 No.450g/(L ・d )这个低负荷阶段,产氢能力明显提高,其中每克糖产气量由75128mL 提高到175114mL,产氢速率由55165mL/(L ・h )提高到150193ml/(L ・h ).同时气相结果分析表明氢含量也略微升高,约在50g/(L ・d )达到最大值54188%,从整体上看上下起伏不大,基本保持在50%这个水平线上.但有机废水负荷大于50g/(L ・d )时,产氢能力有所下降,所以由图中可以看出,维持容积负荷在50±2g/(L ・d )这个阶段较为适宜.图1 有机废水负荷对产氢能力的影响Fig 11 Effectoforganicloadingrateonhydrogenproductionpotential212 不同反应时间氢气含量和对COD 的去除作用 由图2可以看出,氢气含量和COD 的去除率随反应时间的变化而变化,反应器启动比较快,反应开始12h 开始产氢,但氢含量不高,而且从中不难看出,产氢量有周期性变化的趋势,在每个周期内,产氢量随时间的变化可分为4个阶段:反应延迟、开始产氢、持续产氢和产氢衰减.由于在微生物厌氧发酵产氢过程中,Clostridium 菌属起主要控制作用[4],该菌属(梭状芽孢杆菌)在经过一段时间的培育后开始萌发、生长,逐渐将有机物降解;反应进行28h 左右,氢气含量达到最大值,气体中氢气含量达7615%,COD 的去除率达46%;其后,进入持续产氢气阶段,35h 后,随着有机物耗尽,氢气含量逐渐下降,直到反应进行到第51h,氢气含量降到47%,此时随着底物的加入,反应进入第二个周期.由于产氢菌对底物浓度的增加,反应环境的改变有一小段适应期,随着时间的增加,氢含量又增加,几乎又回到了与第一周期相似的反应过程,平均氢含量在50%～55%,最低在40%左右,平均COD 的去除率30%.以后就是周期的重复,只要有底物的不断加入,反应产氢就能持续相当长的时间,而且在反应过程中没有检测到甲烷气体.图2 氢气含量、COD 去除率与反应时间的关系Fig 12 Relationshipbetweenthereactiontimeandthe contentofhydrogen,theCODremovalefficiency3 结论 (1)以牛粪堆肥为天然菌种来源,进行模拟废水处理的小型放大实验证明,经过预处理牛粪堆肥里富集产氢菌,经培养主要产氢菌(梭状芽孢杆菌)有较好的活性,能实现连续产氢. (2)生物制氢反应器最佳工程控制参数为:温度35～37℃,pH 值419～511,最适容积负荷50gCOD/(L ・d ).反应器的持续产氢能力为140mL/(L ・h ),最高氢含量达70%左右. (3)制氢反应器具有良好的抗负荷冲击能力和运行稳定性,对蔗糖模拟废水中的COD 去除率可达到30%以上,蔗糖产氢能力达174mL/g.参考文献:[1] TANISHO IshiwataY 1ContinuoushydrogenproductionfrommolassesbythebacteriumEnterobacteraerogenes [J]1IntJHydrogenEnergy,1994,(19):807～8121[2] LAYJJ 1Modelingandoptimizationofanaerobicdigestedsludgeconvertingstarchtohydrogen[J]1BiotechnolBio 2eng,2000,68(3):269～2781[3] 李建政,任南琪,林 明,等1有机废水发酵法生物制氢中试研究[J]1太阳能学报,2002,23(2):252～2561[4] 樊耀亭,李晨林,侯红卫,等1天然厌氧微生物氢发酵生产生物氢气的研究[J]1中国环境科学,2002,22(4):370～374156第4期 任保增等 厌氧发酵生物制氢试验研究 StudyontheExperimentofBiohydrogenProductionbyAnerobicFermentationRENBao-zeng,TANGDa-hui,LIYang,HUQing-li,FANYao-ting(CollegeofChemicalEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450002,China )Abstract:Basedonshakedculture,thescale 2upexperimentofbiohydrogenproductionbyanaerobicfermentationisstudied 1Inthestudy,thesimulatedorganicwastewatercontainingsucroseistreatedwithnaturalanaerobicmicroor 2ganismbacteriumfromcowdungcompostbypretreatment.Undertheexperimentalconditions,theresultsshowthatthescale 2upreactorhasahydrogenyieldof140mL/(L ・h )continuously,thehydrogenaverageconcentrationinthe biogasreaches50%,theCODremovalefficiencyreaches30%inthesimulatedwastewaterandthemaximumhydro 2genproductivityis174mL/gsucrose 1Thestudyprovidesthetheoreticinformationforthefeasibilityofthebiohydro 2genproductioninindustry 1Keywords:biologicalhydrogenproduction;cowdungcompost;anaerobicfermentation;simulatedorganicwastewater我校27项科研成果获省科技进步奖 2004年度河南省科学技术进步奖评审日前揭晓.我校共有27项科技成果获奖,其中一等奖1项,二等奖20项,三等奖6项,获奖总数在河南省高校系统遥遥领先.我校本年度获得的河南省科技进步奖成果涉及城建、机械、电子、材料、化工、医疗卫生等多个专业和学科.获得一等奖的是环水学院王复明教授主持完成的“路基路面材料特性反演与落锤式弯沉仪及探地雷达应用技术”,该成果是国家杰出青年基金资助项目,该项目在研究开发过程中,与十多个省、市、自治区的公路管理、质量监督及科研单位建立了合作关系,形成了网络化的技术推广体系,并首次将系统识别理论应用于路面雷达数据分析领域,为路面层厚度的反演探索了一条新的途径,对加快提高我国路基路面检测与评价技术水平起到了重要的推动作用.66 郑州大学学报(工学版) 2004年。
污水厂剩余污泥水解及其厌氧发酵产氢技术研究
污水厂剩余污泥水解及其厌氧发酵产氢技术研究一、本文概述随着工业化和城市化的快速发展，污水厂剩余污泥的处理与资源化利用已成为环境保护和可持续发展领域的重要议题。
污泥中富含有机物和微生物，具有潜在的能源价值。
因此，开展污泥水解及其厌氧发酵产氢技术研究，不仅有助于实现污泥的减量化和无害化，还能为清洁能源的生产提供新途径。
本文旨在探讨污水厂剩余污泥的水解技术及其厌氧发酵产氢的可行性，以期为污泥的资源化利用提供理论支持和实践指导。
文章首先对污泥水解的机理和影响因素进行深入分析，探讨不同水解条件下污泥中有机物的释放规律。
随后，重点研究厌氧发酵产氢过程中微生物的代谢特性，以及发酵过程中关键参数的优化。
通过实验室规模的试验，评估水解预处理对污泥厌氧发酵产氢效率的影响，并探讨发酵产物的利用价值。
对污泥水解及其厌氧发酵产氢技术的经济性和环境效益进行评估，为该技术的工业化应用提供参考。
本文的研究内容对于推动污泥资源化利用技术的发展具有重要意义，不仅有助于缓解环境压力，还能为清洁能源的生产提供新的技术路径。
二、污泥水解技术研究污泥水解是污泥厌氧发酵产氢过程中的重要环节，其目的在于破坏污泥中的有机物结构，释放出可供厌氧微生物利用的小分子有机物。
污泥的水解过程主要涉及到污泥中有机物的溶解、有机大分子的分解以及水解酶的催化作用。
在水解过程中，污泥中的多糖、蛋白质和脂肪等大分子有机物在水解酶的作用下被分解为单糖、氨基酸和脂肪酸等小分子物质。
这些小分子物质更容易被厌氧微生物利用，从而促进氢气的产生。
为了提高污泥的水解效率，研究者们采用了多种方法，如物理法、化学法和生物法。
物理法主要包括热处理、超声波处理等，通过这些方法可以改变污泥的物理性质，促进有机物的溶解和释放。
化学法主要是通过添加酸、碱、氧化剂等化学物质来破坏污泥中的有机物结构，提高水解速率。
生物法则是利用水解酶等生物催化剂来加速污泥的水解过程。
在实际应用中，应根据污泥的性质和产氢要求选择合适的水解方法。
生物质厌氧发酵制氢技术研究进展
生物质厌氧发酵制氢技术研究进展发布时间：2021-08-06T16:09:14.373Z 来源：《基层建设》2021年第13期作者：龚坤刘建方[导读] 摘要：氢能因具有热值高、能量密度大、热效率高、清洁无污染等优势，受到研究者的广泛关注。
北京航天石化技术装备工程有限公司北京 100000摘要：氢能因具有热值高、能量密度大、热效率高、清洁无污染等优势，受到研究者的广泛关注。
目前生物原油的提质、燃料电池的快速发展等方面对氢能的需求量也在不断增长，氢能制备技术的开发及应用成为生物油、燃料电池等新能源行业发展的关键之一，预期在新能源系统中起到重要作用。
氢能的制备技术目前主要分为化石燃料制氢、水制氢和生物质制氢3大类。
其中化石燃料因不可再生性，用其制氢并不符合未来可持续发展的趋势。
水制氢技术近年来发展迅速，但在技术上仍需要突破。
此外，生物质制氢也是发展迅速的技术之一，该技术具有原料来源广泛，属于可再生能源范畴，但如何进一步提高氢产率和产氢效率是面临的关键问题。
关键词：生物质；厌氧发酵；制氢技术引言能源是人类生产和生活的重要物质基础，现代化工业的迅猛发展，使能源的消耗不断增加，导致现有的能源储量已不能够满足社会迅速发展的需要，能源短缺已成为遏制全球发展的重要问题之一；同时，传统能源在使用过程中会产生环境污染和生态破坏等一系列相关问题，从而迫使人们开始不断探索新的环保能源以替代传统能源。
氢气是一种理想的清洁能源，它的高燃值、无污染、可再生等优点，成为人们在新能源研究中一直所追求的理想目标。
由于许多国家政府和研究机构对这一研究的重视，使得制氢技术得到迅速发展。
1氢经济概念的提出在所有新能源中，氢气是具有高能量密度（122kJ/g）的清洁和可再生燃料如果在发展高效储备技术的同时能够增加可再生能源的生产水平，那么氢气有可能成为新世纪的环保能源来替代化石燃料。
在世纪年代提出了“氢经济”概念，这一名称是GM公司（美国）在爆发第一次能源危机时所创。
利用农业废弃资源发酵制氢的研究进展
受 关 注 。 生 物 制 氢 包 括 光 驱 动 过 程 和 厌 氧 发 酵化效率较 低 。与 光合生物 制 氢技术 相 比， 氧发酵过 程制氢 具有产氢 能力高 、 厌 产 氢速率快 、 产氢 持续稳定 、 反应装 置 的设计 操作简 单 、 料来 源广泛且成 本低 等特点 ， 易于实 现规模 原 更 化生 产 ， 到 国内外 广 泛关 注 ｌ 。发酵 产 氢 实现 工 受 ＿ ５ ］
１ 生 物产 氢 的 机 理 与 方 法
表 １ 不 同生 物 产 氢 方 法 的优 缺 点 比较
能进 行生 物产 氢 的微 生 物 主要 有 真 核 藻 类 、 蓝 细菌 、 光合 细菌 和异 养型 厌 氧细菌 ＿ ］ ２ 。表 １ 出 了 列 利用 各种微 生 物进行 生 物产氢 的优缺点 ［ 。氢 酶和 ４ ］ 固氮 酶是催 化 产氢 反 应 的 两个 关 键 性 酶 ， 而这 两 然 个酶 均不是 专 一性产 氢 酶 。氢酶 除 了在有 足够 还原 力时 催化产 氢外 ， 催 化 作 为 一 种 能量 回 收机 制 的 还
氢 等） 在 以下 不 足 ： 存 ①矿 物 燃料 制 氢伴 有 Ｃ 。排 Ｏ 放， 污染 环境 ； ②矿 物燃 料 制氢 、 电解 制 氢 和热 化 水
学循 环制氢 的原 料成 本 和设 备 投 资高 ； 等 离子 制 ③ 氢则能耗 过大 。生物 制 氢 由于 具有 无 污染 ， 用 的 利
现 代 化 农 业
２ １ 年 第 ８ （ 第 ３ ５期 ） ０１ 期 总 ８
４ １
利 用 农 业 废 弃 资 源发 酵制 氢 的研 究 进 展
孙 佳。 王 涛
（ 龙 江 农 业 职 业 技 术 学 院 ， 龙 江 佳 木 斯 １ ４０ ） 黑 黑 ５ ０ ７
畜禽养殖废水厌氧沼气发电技术的探讨
害 农产 品 、 色 食 品 、 机食 品 已经 成 为 现代 农 业 的 发 展趋 势 ， 绿 有 而这 些
安全农产品的生产 ， 必须 以种植 、 养殖 为基础 ， 沼气工程为纽带 ， 将种 植、 养殖有机结合起来 ， 形成 良性循环 ， 保持生态环境的稳定 和可持续 酵 产 生 。其 主 要 成 分 是 甲烷 ｆＨ ） 外 还 有 二 氧 化 碳 （ 占 ３ ％～ 发 展 。 ｃｌ ４ ，此 约 Ｏ 同时 ， 源 短 缺将 会制 约 我 国经 济 的 发 展 ， 能 因此 必 须 将 大 型 沼气 ４％） ０ 。它 无 色 、 嗅 、 毒 ， 度 约 为 空 气 的 ５ ％， 无 无 密 ５ 难溶 于 水 ， 燃 ， 易 １ 工 程列 入 农业 发 展 战 略 地 位 ． 集 约 化 大 型 沼 气 工 程 的 建 设 上 ， 在 既有 立方 米 沼 气 的 发 热量 为 ３ ８ ７千 焦 。 ５５ 立法， 又有 执 法 ， 策激 励 与 资 金 扶 持 相 结合 ， 这 项 能 环 工程 发 展 下 政 使 厌 氧 沼 气 技 术 是 运 用 生 物 化 学 方 法 对 禽 畜 粪便 和 工 业 有 机 废 水 去。 节约 了常规能源 ， 发展生态农业 ， 保护了环境 ， 建设生态家园。 等进 行 处 理 的 技术 。 于其 成 本 低 廉 、 理 效果 好 ， 实 践 中 得 到 了广 由 处 在 泛 的应 用 。 统 上 大 多利 用 厌 氧 沼 气 进 行取 暖 、 事 和 照 明 ， 着气 体 ３ 厌 氧 沼气 发 电前 景 广 阔 传 炊 随 产量 的不断增加 ， 如何更 高效地利用厌氧沼气 ， 为摆在我们 面前 的 成 我 国可用于沼气发 电的资源十分丰富。 首先 ， 受饮食结构的影响 ， 项 课 题 。厌 氧 沼气 作 为 发 电燃 料 就 地发 电 ， 电量 随 沼气 产 生 量 变 发 我 国生 猪 存栏 量 达到 数 亿 头 ， 羊 、 禽 等养 殖 量 也 十 分 巨大 ， 畜 粪 牛 家 禽 化 灵 活 调 整 ． 以使 沼 气 得 到 充 分 利 用 。 可 便总排放量巨大。 沼 气 发 电工 程本 身 是 提 供 清 洁 能 源 ， 决 环 境 问 题 的 工 程 ， 的 解 它 １ 畜 禽 养 殖 需 要解 决 的 问 题 运 行 不 仅 解 决 沼 气工 程 中 的一 些 主 要 环 境 问题 ， 而且 由 于其 产 生 大 量 １１ 搞 好 法 规建 设 。 ． 电 能和 热 能 ， 为 沼气 的综 合 利 用 找 到 了广 泛 的应 用 前 景 ： 又 国家 有 关 部 门 以法 律 、 规 的 形式 颁 布大 中 型养 殖 场 必 须 建 设 沼 法 ３１ 有 助 于 减 少温 室气 体 的排 放 ． 气 能 环 工 程 实 行 许 可 证 制 度 ， 则 养 殖 场 的 建 设 不 予 批 准 ， 品 不 许 否 产 通 过 沼 气 发 电工 程 可 以 减 少 ｃ 的排 放 ，每 减 少 １吨 Ｃ－ 的 排 Ｈ４ Ｉ Ｉ ， 进入 市场 ， 就象工 商许可证 、 品市场 准人 证一样 ， 产 使养 殖场有 法可 放 ， 当于 减 少 ２ 相 ５吨 １ 排 放 ， ３ 的 ０ 对缓 和 温 室 效 应 有利 。 依 ， 法必依。 有 ３２ 有利于变废为宝 ， ． 提高沼气工程的综合效益 １ 政 策激 励 。 ． ２ ３３ 可 减少 对 周 围环 境 的 污 染 。 ＿ 国 家 和 省 有关 部 门 制 定 相 关 政 策 ， 出 规 划 、 施 、 案 、 提 措 方 技术 要 ３ ． 厌 氧 沼 气 发 电 为 农 村 地 区 能 源 利 用 开 辟新 途 径 ，创 造 了 更 多 的 ４ 求 和 激 励政 策 ， 保 政 府 各 部 门对 养 殖 场 沼 气 工 程 进 行 规 范 和 管 理 各 确 经 济 和社 会 效 益 。 养 殖 场 依据 法 律 、 策 进 行 建设 沼 气 能 环 工 程 。 政 ４ 技术 发 展 的 主 要 障碍 １３ 资金 扶 持 。 ． 作 为一 项 建 设 投 资 大 、 济 效 益 不 高 、 会 生 态 效 益 明显 的集 约 经 社 ４１ 养 殖场业 主经济 实力小 。建设 大中型沼气工程存在 资金短 缺的 ． 化养殖场大中型沼气工程 ， 由养 殖 场 独 自承 担 很 难 负 担 的起 ， 该 由 应 难题： 国家 、 地方 财政拿出一部 分扶持资金 ， 进行补助 ， 养殖场进行 配套建 ４２ 养 殖场 发 展 时 间 短 。 ． 养殖 规 模 有 较 大波 动 性 。 以满 足沼 气 工程 难 设， 市场机制运转。 按 的 原料 需 求 ： １ 示范带动。 ． ４ ４３ 沼气工程的技术含量 高； ＿ 要 搞 好 大 型 沼 气 工 程 。 须 建 好 示 范 工 程 ． 挥 示 范 工 程 的示 范 必 发 ４４ 用气市场不成熟 ，大 中型沼气工程所产沼气难以产生较高 的经 ． 带 头 作 用 。 通 过举 办 现 场 会 、 摩 会 、 观 教学 基 地 ， 以现 身 说 教 来 说 明大 济效益 。 型沼 气 工 程 的 可 行性 和必 要 性 ， 广大 养 殖 户 看 到 综 合 利 用 带 来 的 可 让 观经济效益 ． 以及 消 除环 境 污 染 所 带来 的社 会 效 益 和 生 态 效益 。 ５ 结 束 语
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生物与生物质能 , E2mail :t2angguilan @163. com 3 通讯联系人 ,E2mail :sun108 @cau. edu. cn
氢气具有清洁无污染 、能量密度高等特点 ,被认 为是 21 世纪最具应用价值的可再生能源之一[1 ,2] . 目前制取氢气的途径有很多种[3～5] ,其中生物法制 氢具有产氢能力高 、生产过程清洁 、节能 ,发酵底物 来源广等优点[6] . 20 世纪 90 年代中期 ,世界各国开 始重视利用各种废弃物的生物质资源的厌氧发酵产
在生物制氢系统中微生物是产氢的主体. 系统 中产氢细菌的数量直接影响着产氢效率 ,但是产氢
细菌的生长状况和代谢水平也会决定系统的处理效 果和产氢能力[13～15] . 微生物的生长和代谢离不开碳 和氮这 2 种重要的营养元素 ,不同的碳 、氮源浓度对 微生物生长 、代谢途径 、代谢产物的积累等有着重要 的影响[16] . 然而 ,碳 、氮源浓度对产氢细菌的生长 、 产氢能力及其液相产物的影响还不是十分清楚 ,此 类研究鲜见报道. 合理利用碳源和氮源 ,在实现碳源 和氮源最高利用率的同时提高细菌产氢效能 ,这是 降低生物产氢成本的有利途径之一. 本研究利用养 殖场废水作为产氢基质 ,厌氧污泥作为接种物 ,探讨 了厌氧污泥及碳 、氮源浓度对其产氢能力的影响 ,并 分析了其产氢动力学和液相产物发酵型 ,以期为扩 大规模利用养殖场废水产氢的研究提供了有价值的
氢技术的研究 ,并逐渐成为当今生物产氢领域的一 个研究热点[7～11] . 有关资料显示 ,全国家禽粪便年产 生量约为 1713 亿 t ,是工业废弃物的 217 倍[12] . 大规 模的养殖场废水如果不经过处理就直接排入环境 , 会对环境造成严重的污染 ,同时也对家禽和人类的 健康造成很大的威胁. 而养殖场废水中含有大量的 氮 、磷等有机物质 ,可提供微生物生长所需的营养物 质 ,研究利用养殖场废水为原料生物制氢 ,既得到清 洁能源氢气 ,又实现了废弃物的资源化.
产氢基质取自北京某养殖场废水 ,其废水性质 见表 1.
表 1 养殖场废水性质Πmg·L - 1 Table 1 Characteristics of manure used in the experimentΠmg·L - 1
pH
COD
TN
TP
VSS
7132
2 325
212 试验方法 11211 试验装置及仪器
1622
环 境 科 学
29 卷
基础数据.
1 材料与方法
111 材料 11111 接种物来源
接种污泥来自北京留民营村沼气发酵罐 ,其 pH 值为 8 , VSS 为 2417 gΠL. 在取回的厌氧消化污泥放 置过夜后 ,倒去上面清水 ,然后用筛子除去石头 、沙 子等杂质后 ,接种到厌氧生物产氢反应器中 ,接种量 为 100 gΠL. 11112 厌氧发酵底物
营养物 ,VSS 表示生物量 (见表 1) ,按 11212 中分别 设置了 4 个不同的处理. C 和 D 中碳 、氮源营养物质 加入的比例根据本实验室在人工配置废水条件下厌 氧产 氢 得 出 的 最 佳 碳 氮 源 浓 度 , 即 COD = 5 000 mgΠL ,TN = 59193 mgΠL ,加入葡萄糖 (碳源) 和酵母浸 粉 (氮源) . 按 11211 中的工艺进行产氢试验 ,考察厌 氧污泥在以养殖场废水为基质时 ,在不同处理条件 下 ,其累积产氢量 、氢气含量及氢气产量的变化.
Biohydrogen Production by Anaerobic Fermentation from Manure Waste water
TANG Gui2lan1 ,XU Ke2feng1 , WANG Chong1 , SUN Zhen2jun1 , HUANGJian1 , LIU Guang2qing2
气体体积采用排水法测定. 化学需氧量 (COD) 、 挥发性悬浮固体 (VSS) 、总磷 ( TP) 、总氮 ( TN) 的测定 方法参照国家标准方法[17] . 实验结果利用 SAS 统计 软件进行方差和显著性分析.
2 结果与分析
211 不同处理对养殖场废水产氢能力的影响 考虑到养殖场废水中含有一定量的微生物群和
第 29 卷第 6 期 2008 年 6 月
环 境 科 学 ENVIRONMENTAL SCIENCE
Vol. 29 ,No. 6 Jun. ,2008
利用养殖场废水厌氧发酵生物制氢技术研究
汤桂兰1 ,许科峰1 ,王冲1 ,孙振钧1 3 ,黄健1 ,刘广青2
(1. 中国农业大学资源与环境学院 , 北京 100094 ; 2. 北京化工大学化学工程学院 ,北京 100029) 摘要 :在批式厌氧反应器中 ,以厌氧消化污泥作为天然产氢菌源 ,通过养殖场废水的厌氧发酵生产氢气 ,考察了厌氧污泥和碳 氮营养物质对养殖场废水产氢的影响 ,并对液相产物的分布 、产氢动力学进行了分析. 试验分为 4 个处理. 结果表明 ,加入营养 物质接种污泥的养殖场废水氢气含量 、累积产氢量和单位 COD 氢气产量最高可达到 50165 %、334180mL 和 287110 mLΠg. 而未接 种污泥的原始养殖场废水累积产氢量和单位 COD 氢气产量仅为 59124mL 和 67105 mLΠg. 污泥和碳氮营养物质对产氢能力均有 显著地促进作用 ,加入碳氮源后微生物群促进了原养殖废水有机物的氢的形成. 液相末端产物中 ,乙酸 、丁酸占总挥发酸的 61 %～86 % ,产氢过程属于典型的乙酸2丁酸型发酵. 总挥发性酸含量的提高 ,其产氢能力也增大. Gompertz 模型能够很好地拟 合其产氢过程. 关键词 :厌氧污泥 ;养殖场废水 ;生物制氢 ;厌氧发酵 中图分类号 :X382 文献标识码 :A 文章编号 :025023301 (2008) 0621621205
从图 1 可以看出 ,B 、D 处理的累积产氢量明显 高于 A 、C 处理的累积产氢量. 以原始的养殖场废水 为基质 ,不接种厌氧污泥 ,其在 30 h 后的累积产氢 量达 59124 mL. 而接种厌氧污泥后 ,其累积产氢量明 显提高到 334180 mL. 说明养殖场废水中存在着少量 的产氢菌和其生长必须的营养物质. 接种厌氧污泥 后 ,由于厌氧污泥中含有大量的产氢菌 ,其细菌生物 量的提高导致废水的累积产氢量也相应地增加. 所 以厌氧污泥利用养殖场废水产氢具有潜在的研究潜 力. 为了更好地提高养殖场废水的产氢效率 ,本实验 加入一定量的碳 、氮源物质促进微生物的生长繁殖. 图 1 显示了废水中碳氮源浓度的改变对厌氧污泥利 用养殖废水产氢的影响. 加入营养物质后 ,其累积产 氢量均为原来的 4129 (CΠA) 和 3131 (DΠB) 倍. 原因可 能是 C、D 处理中碳氮源含量丰富 ,有机物含量高 , 能够满足菌体生长的需要 ,使得菌体生长繁殖快 ,生 物量较高 ,产氢能力就提高.
液相组分 (乙醇 、乙酸 、丙酸 、丁酸) 由气相色谱
仪测定 ,色谱柱为 30 m ×0125 mm ×0125μm 的熔融 硅胶毛细管色谱柱 ,测定条件为 :进样口和检测器的 温度分别控制为 250 和 300 ℃,柱温采用程序升温方 式 ,初温为 50 ℃保持 1 min ,然后以 15 ℃Πmin的升温 速度逐渐地升高到 180 ℃,并在 180 ℃保持 6 min ;用 高纯氮气作载气 ,其气体流速为 30 mLΠmin ,进样口 的进样方式为分流进样 ,分流比为 10∶1. 空气和氢 气流速分别为 400 和 30 mLΠmin.
Abstract :Biohydrogen production by anaerobic sludge was studied by using manure wastewater as substrate , in batch process. The influences of sludge and carbon nitrogen nutrition on hydrogen production , the liquid fermentative products and hydrogen dynamics were investigated. The results indicate both sludge and nutrition were able to enhance the hydrogen production. It can be obtained maximum hydrogen content 50165 % , cumulative hydrogen production 334180mL and hydrogen yield per COD 287110 mLΠg from manure wastewater with carbon nitrogen nutrition and sewage sludge. However , the cumulative hydrogen production and the hydrogen yield per COD were only 59124 mL and 67105 mLΠg from raw wastewater. Acetic acid and butyric acid in the effluent of fermentation occupied 61 %286 %. It might be acetic2butyric acid type fermentation in the batch reactor. The more the VFA content , the higher the hydrogen yield. A modified Gompertz model can adequately describe the H2 production. Key words :anaerobic sludge ; manure wastewater ; biohydrogen production ; anaerobic fermentation