氢气作为一种新型清洁能源已吸引到全世界许多学者的瞩目，且逐渐成为能源行业的研究热点. 厌氧发酵生物制方式以其不受光照时间限制、 比产氢速率高、 可利用的底物范围广、 并能去除有机污染物等优点更具有应用于工业生产的潜力^[1,2,3,4].

乙醇型发酵被认为是产氢发酵类型中的最佳选择^[5,6,7,8]. 作为研究厌氧生物制氢的反应器多以连续流搅拌槽式反应器(CSTR)为主^[9]，而对HABR作为对象的研究还比较少. 该反应器的优势在于能够纵向分离微生物分解代谢作用，以及具有良好的生物固体的截留能力、抗水力及有机负荷冲击能力强等^[10,11,12].

厌氧发酵制氢研究的影响因素有很多，如HRT、 pH值、 温度、 碱度、 有机负荷等，其中HRT是重要的工程控制手段之一^[13,14,15]. HRT过高或过低的水流速度都不利于厌氧发酵各方面效率达到最大化，一方面是由单位时间处理量造成的，另一方面是由于HRT不同导致反应器死区容积不同造成的^[16,17]. 而HABR反应器结构不设置搅拌器，故HRT对HABR运行效果好坏起着至关重要的作用.

基于以上优势，本研究以红糖为底物，分析了HRT对HABR乙醇型发酵制氢系统的影响，并确定最佳HRT，以期为后续进行工业化生产提供参考.

1 材料与方法 1.1 实验装置

实验装置如图 1. HABR反应器的材质为有机玻璃，其规格为顶端长95 cm，底端长75 cm，高80 cm，宽12 cm，总容积约为80 L，有效容积为43.2 L. 反应器分为5格室，前4格室的有效容积为7.2 L，每格室的下部边缘有60°倾角的导流板将格室分为体积比约为1 ∶5的下流区和上流区，它能够使进水与污泥得到充分的混合接触. 每个格室的上部水面下部设置了10 cm厚的砾石填料层，填料层以穿孔有机玻璃为底部支架.

图 1

Fig. 1

图 1 HABR反应器结构示意Fig. 1 Schematic diagram of HABR1.废水箱；2.恒流泵；3.反应器；4.出水口；5.气体流量计；6. 排污口；7.填料层

第5格室为具有厌氧反应和沉淀双重功能的格室，有效容积为14.4 L，可以有效减少反应过程中污泥的流失. 反应器外缠有电热丝，通过温控装置以保证反应器运行过程温度始终保持在35℃±1℃. 另外，前4格室的每个格室下部的不同高度设有两个取样口. 顶部的排气孔与水封相连，产生的气体通过水封由湿式气体流量计计量^[18]. 进水由恒流泵泵入.

1.2 实验用废水

实验污泥驯化阶段、 启动及运行阶段采用的都是由废红糖配制成的有机废水，添加N、 P保持COD、 N、 P的质量比在(200~500) ∶5 ∶1左右，以供微生物生长繁殖所需^[19,20].

1.3 接种活性污泥

本实验采用的污泥来自于哈尔滨市中药二厂污水处理车间的剩余污泥. 取回的污泥经过淘洗、 过滤后去除污泥中的无机大颗粒物质. 然后装入曝气池进行曝气处理. 每天停止曝气1~2 h进行沉淀，去掉上层废液，然后补水，添加碳源及N、 P. 15 d后，观察污泥的颜色，污泥颜色逐渐从黑色变成黄褐色，并具有很好的沉降性，此时可将污泥接入反应器，平均加入各格室的上流室中. 接种时污泥的挥发性悬浮固体(VSS)质量浓度为16.68 g ·L^-1，总悬浮固体(SS)质量浓度为25.96 g ·L^-1，VSS/SS(生物活性)为64.25%，污泥状态良好.

1.4 分析方法及仪器

pH值和氧化还原电位(ORP)采用PHS-25型酸度计测量，产气量由LML-1型湿式气体流量计计量.

COD、 VSS、 SS使用国家标准方法^[21]测定.

气体产物及组分采用SC-Ⅱ型气相色谱测定，热导检测器(TCD)，不锈钢色谱填充柱长2.0 m，担体Porapak Q，50～80目. 采用氮气为载气，流速为30 mL ·min^-1.

液相末端发酵产物组分及含量采用GC-122型气相色谱测定. 氢火焰检测器，不锈钢色谱填充柱长2.0 m，担体为GDX-103型，60～80目. 柱温、 气化室和检测室温度分别为190、 220、 220℃. 氮气作为载气，流速为30 mL ·min^-1.

1.5 实验方法

实验采取低有机负荷启动方式，初始COD为2 000 mg ·L^-1，废水浓度逐步提高到8 000 mg ·L^-1待反应器达到稳定，保持COD浓度8 000 mg ·L^-1不变，进水pH值始终保持在7~8之间，开始调节HRT为36、 24、 16、 12、 8 h，各运行30 d，调节初期会有波动，采取稳定阶段数据的平均值，分析不同HRT条件下的产氢速率、 COD去除率、 液相末端产物构成、 pH值以及系统产能速率情况. 系统稳定的标志为生物气生产速率的变化在5%以内运行10 d以上^[22].

2 结果与讨论 2.1 不同HRT条件下HABR制氢系统的产氢效能分析

不同HRT对HABR制氢系统产氢速率的影响见图 2. 从中可看出，HRT从36 h缩短到24 h、 16 h至12 h时，产氢速率为上升趋势，平均产氢速率分别为9.58、 10.93、 12.96、 13.88 mmol ·(h ·L)^-1. 而HRT为8 h的运行过程中，产氢速率急剧下降至8.21 mmol ·(h ·L)^-1. 其原因是HRT 36 h时，流速过慢，对污泥冲力小，使污泥沉在反应底部，造成沟流现象，增大死区容积分数，导致污泥与废水不能充分混合. 逐步降低HRT，水流力度增大，使沉降在反应器底部的污泥冲击起来，增大废水与污泥混合度，提高HABR产氢速率. 但HRT过短，水流过快，却降低了废水与污泥的接触时间，此外，还会将污泥冲出反应器，导致污泥流失，降低了反应器产氢速率. 最适合的HRT是水流带动污泥上升的速度与污泥沉降的速度相平衡^[23]，本实验中为12 h.

图 2

Fig. 2

图 2 不同HRT的产氢速率Fig. 2 Hydrogen production rate at different HRT

另外，各格室在不同HRT条件下的产氢速率与总产氢速率表现出相同的规律，但每个格室的产氢速率是不同的. 其原因是乙醇型发酵在启动驯化期时，进入每一格室的废水由于经过前面格室的处理后状态都是不一样的，即相当于每一格室的污泥都是在不同状态条件下被驯化，故形成的乙醇型发酵的菌群结构略有不同，导致产氢效能不同. 这与宫曼丽等^[24]研究初始条件对乙醇型发酵影响的结论相符.

图 3为5个HRT条件下，反应器日总产生物气量、 产氢量和含氢量的变化. 从中可看出，最高生物气产量93.60 L ·d^-1发生在HRT为16 h时，最高氢气产量53.95 L ·d^-1和氢气含量60.05%发生在HRT为12 h时. 这个结果说明反应器内部的发酵类型在HRT 16 h调节为12 h的过程中发生了略微的变化.

图 3

Fig. 3

图 3 生物气、 氢气产量及氢气含量 Fig. 3 Biogas production,hydrogen production and hydrogen percentage

2.2 不同HRT对HABR制氢系统乙醇型发酵液相末端产物的影响

液相产物的成分比例能够反映反应器的运行特性、 发酵系统内部发酵类型、 发酵菌群结构的略微变化以及发酵类型的转换^[25]. 乙醇型发酵过程中的液相末端产物有乙醇、 乙酸，以及少许丙酸、 丁酸、 戊酸，由于判断乙醇型发酵的指标产物为乙醇和乙酸，故本文中只列出乙醇和乙酸的含量及其比例，如图 4. 从中可看出，乙醇/乙酸比值均在1以上，在HRT为12 h时，第一至第五格室的比值分别为1.90、 1.94、 1.80、 1.77、 1.91. 比值越大说明乙醇相对乙酸的产量越高，结合图 2可知，此比值越高，产氢速率越高，说明乙醇型发酵产氢效果越好. 其机制为乙醇型发酵产氢被认为是最佳的产氢发酵类型，产乙醇的量和产氢的量成正比. 在实际操作中，总是会混合着其他的发酵类型，如丙酸型、 丁酸型等，这些发酵类型也都会产生乙酸，所以乙醇与乙酸的比例越高，说明乙醇型发酵为主要发酵类型的程度越高，其它发酵类型所占的比例越小. 从图 4中可看出，HRT的变化导致各格室乙醇和乙酸比例的变化，表明发酵类型在发生着略微的转变，并在12 h时乙醇型发酵的比例达到最高，产氢效果最好.

图 4

Fig. 4

图 4 不同HRT对乙醇型发酵的影响 Fig. 4 Effect of different HRT on ethanol type fermentation

2.3 不同HRT对HABR制氢系统COD去除率的影响

在制氢系统中，COD的去除是靠乙醇型发酵菌群进行新陈代谢及合成细胞物质消耗的^[26]，一般在30%~40%左右. 但HABR制氢系统在对COD的去除率方面表现出优越性，在HRT为12 h时，平均值达到51.51%. 这可以归功于HABR的特殊结构，因为HABR不像通常制氢系统采用的CSTR只有一个反应室，而是废水前后经过5个格室，依次经过不同结构比例的微生物群落消化，相当于5个CSTR反应器串联在一起. 从图 5中也可看出，5个格室的COD去除率与产氢、 产乙醇速率表现出不同的规律，第一格室的去除率最高，呈纵向下降的趋势，到第五格室有所提升. 其原因是由于第一格室接收的是原废水，营养最为丰富充足，故微生物生长繁殖消耗COD最多，但是其产氢产乙醇的量不是最多的原因是由于原废水不是乙醇型发酵菌群形成的最佳生态位，pH值等条件不是最适合，有部分微生物活性被抑制. 而第五格室有所提升的原因是由于第五格室的容积是前面格室的两倍，废水停留时间较长，与微生物接触充分，故COD去除率有所提高.

图 5

Fig. 5

图 5 不同HRT条件下的COD去除率情况Fig. 5 COD removal rate of different HRT

2.4 不同HRT条件下pH值与氧化还原电位(ORP)情况

pH值是厌氧发酵制氢的限制性因子，因为微生物进行消化活动时主要依赖于细胞中的酶进行催化作用，而酶对pH值有一个最适范围，过大或过小都会降低酶的活性^[27,28]. 表 1中所示为不同HRT条件下稳定运行时各格室的pH值与ORP的平均值. 从中可看出，HRT为36 h时，pH值过低，第五格室甚至低于4.00； HRT为8 h时，pH值过高，第一格室甚至高于5.00； HRT为12 h时，pH值条件处于最适生态位4.20~4.50. 形成此状态的原因为HRT过大，水流速慢，冲击力小，污泥在上流室中沉淀，导致废水不能被消化，大量营养物质剩余在反应器内自酸化，造成pH值降低； HRT过小，水流速快，造成污泥流失，同时在格室内停留时间过短，降低消化率.

表 1(Table 1)

表 1 pH值与ORPTable 1 The pH value and ORP HRT/h pH值 ORP/mV 第1格室 第2格室 第3格室 第4格室 第5格室 第1格室 第2格室 第3格室 第4格室 第5格室 36 4.23±0.05 4.14±0.04 4.06±0.04 3.95±0.03 3.83±0.04 -475±16 -483±12 -498±9 -506±12 -512±10 24 4.28±0.04 4.19±0.05 4.11±0.04 4.03±0.03 3.94±0.03 -453±12 -464±14 -476±11 -493±8 -509±8 16 4.34±0.04 4.27±0.04 4.20±0.03 4.12±0.03 4.03±0.03 -442±7 -456±9 -464±10 -481±11 -504±7 12 4.47±0.03 4.41±0.03 4.36±0.02 4.30±0.02 4.22±0.03 -384±8 -402±11 -411±13 -428±9 -437±11 8 5.11±0.06 4.98±0.05 4.86±0.05 4.73±0.03 4.67±0.04 -357±11 -366±10 -381±8 -388±14 -398±9

表 1 pH值与ORP Table 1 The pH value and ORP

ORP的最适生态位也发生在HRT为12 h时. 由表 1中可看出，HRT不同的条件下，ORP的高低是不同的，随着HRT的缩短而提升，在HRT为12 h为最适，保持在-380~-440 mV之间. 实验中的pH值与ORP生态位与李建政等^[29]对不同产酸发酵类型的研究结果也是相符合的.

2.5 产能分析

乙醇作为一种燃料若能进行提取、 回收进行利用^[30,31]，将有望能提高HABR生物制氢系统的能量生产及经济效益. 从表 2可看出，通过换算(换算方式如表 2注示)，5个HRT情况下产能分别为5.98、 7.11、 9.55、 11.11、 6.28 kJ ·(h ·L)^-1.

表 2(Table 2)

表 2 不同HRT条件下产能情况Table 2 Energy production at different HRT HRT/h 36 24 16 12 8 氢能/kJ ·(h ·L)-1 2.74 3.13 3.71 3.97 2.35 乙醇能/kJ ·(h ·L)-1 3.24 3.98 5.84 7.14 3.93 总能/kJ ·(h ·L)-1 5.98 7.11 9.55 11.11 6.28 1)氢能=产氢速率mmol ·(h ·L)-1×286 kJ ·mol-1(燃烧热)； 乙醇能=产乙醇速率mg ·(h ·L)-1× 1/46 mol ·g-1×1 366 kJ ·mol-1(燃烧热)

表 2 不同HRT条件下产能情况Table 2 Energy production at different HRT

图 6显示出HABR制氢系统在不同HRT条件下产生氢气与乙醇速率的线性关系. 其线性关系可表示为：

图 6

Fig. 6

图 6 产生氢气与乙醇速率关系 Fig. 6 Correlation between H2 and ethanol production rate

3 结论

(1)HRT为12 h时，产氢速率达到最高，为13.86 mmol ·(h ·L)^-1，五格室的pH值在4.22~4.47之间，主要液相产物为乙醇和乙酸，第一至第五格室的比值分别为1.90、 1.94、 1.80、 1.77、 1.91，比值越大乙醇相对乙酸的产量越高，表示乙醇型发酵程度越高.

(2)乙醇型发酵可进行氢和乙醇的双重能源生产，以提高HABR反应器的能源生产速率和经济效益，HRT为12 h时，能源生产平均量达到11.11 kJ ·(h ·L)^-1. 不同HRT条件下产生氢气与乙醇速率的线性关系可表示为y(氢)=1.765 5x(乙醇)+4.873 5(R2=0.794 6).