污泥厌氧发酵制氢研究进展

化,同时可以生产清洁能源,具有很大发展潜力[6]。然而产氢量低一直是制约污泥厌氧发酵制氢的重要因素。为了提高产氢效率,目前研究主要集中在产氢菌富集、基质污泥预处理及污泥与其他基质共消化产氢方面。产氢菌富集主要是污泥作为接种物产氢时,通过对污泥采用一定预处理方法,抑制嗜氢菌和产甲烷菌活性,提高产氢菌的活性,从而提高产氢量[7-8]。污泥厌氧产氢过程水解是污泥发酵产氢的限速步骤,因此在以污泥为基质时,采用预处理方法可提高溶解性有机物浓度,进而提高产氢效率[9]。此外,污泥与其他基质联合产氢,可改善系统碳氮比等,有效提高氢气产量。目前已对产氢菌富集、基质污泥预处理及与其他基质共消化进行大量研究,但是对不同预处理方法以及共消化促进污泥产氢未进行全面梳理总结,缺乏相关综述。笔者针对不同预处理方法对污泥产氢效果的影响进行对比、分析,同时对污泥共消化基质种类及不同种类基质对污泥厌氧发酵产氢的影响进行总结、分析,以期为以后的研究提供理论基础。1产氢菌富集污泥不仅含有产氢菌而且含有嗜氢菌,梭菌属是常见的产氢菌,可以形成芽孢,抵挡热处理、酸碱处理及化学试剂的破坏作用。因此,污泥作为接种物时,通过预处理方法可有效抑制嗜氢菌活性、富集产氢菌,提高产氢速率[7]。目前产氢菌富集研究中各预处理方法所占比例如图1所示。热处理操作简单,易筛选产氢菌,应用最广泛,其所占比例为30%。其次为酸、碱处理,酸、碱处理可以筛选产氢菌,但是容易腐蚀反应器,不利于反应系统长期的稳定进行。此外,添加化学试剂也有所应用。化学试剂如氯仿等,可以直接抑制产甲烷菌活性,但是化学试剂可能造成污泥的二次污染,危害人体健康。图1产氢菌富集各预处理方法所占比例1.1热处理热处理可以杀灭甲烷菌,而产氢菌在高温条件下产生芽孢,可以避免失去活性,提高产氢能力,从而提高产氢量[10]。热处理较适宜的温度为60~121℃。Lin等[9,11]研究采用热处理,氢气转化率达到了60%。Baghchehsaraee等[12]研究表明,利用热处理产氢量可提高4.35倍,同时,Zhang等[13]采用热处理对污泥进行预处理,产氢量提高了32%。此外,热处理对氢气含量也有一定改善,氢气含量达到54%[14]。热处理不仅可以提高产氢菌活性,同时也会影响其他微生物活动,郭婉茜等[15]研究表明,热处理可以提高产酸微生物活性,提高10%~32%的酸化率,同时产氢量提高1.69~1.82倍。但是Kim等[16]研究表明,未经热处理获得的产氢量高于经过热处理的产氢量,其原因可能是热处理使得微生物多样性降低。热处理接种污泥中微生物群落复杂多样,对产氢的影响也有不同。整体来说,热处理可作为接种污泥预处理的最佳方法。1.2酸和碱处理酸和碱预处理方法对污泥可以起到杀菌作用,从而对产氢菌进行筛选。酸性预处理pH值一般为3~4,碱性预处理pH值一般为9~14,最佳预处理时间在24h左右。刘旭东等[17]研究酸预处理最佳pH值和处理时间,结果表明不同pH的污泥产氢能力效果从大到小为:pH=3,pH=4,pH=5,pH=2。pH太低或者处理时间太短时都不能抑制嗜氢菌和产甲烷菌,但是pH值较高或者处理时间太长时,可能将产氢菌杀死,不利于产氢。Penteado等[18]研究表明,酸预处理使反应体系更加稳定,是提高生物产氢的最佳方式。Lin等[19]用碱预处理接种泥,在连续流搅拌槽式反应器(CSTR)内厌氧发酵产氢,当水力停留时间降低时梭状芽孢杆菌为主导产氢菌,有利于产氢,且最大的氢气转化率为43.8%。Zhu等[20]研究表明,碱预处理没有完全抑制产甲烷菌活性,但是能显著提高产氢菌活性,提高氢气产量,氢气转化率达到了76.5%。此外,Yin等[21]研究采用酸、碱方法进行预处理,氢气产量分别提高125%和27.2%。Chang等[22]研究表明,接种泥经过酸、碱预处理后,两种预处理系统发酵类型均为丁酸型发酵,有利于氢气的产生。可见,酸、碱预处理可以提高产氢效果,但是不同预处理方法对氢气转化率的影响没有统一的结果。1.3化学试剂添加化学试剂可以抑制嗜氢菌和产甲烷菌活性,从而提高氢气产量。目前主要的化学试剂有氯仿、二溴乙烷磺酸钠、碘丙烷等。不同化学试剂对产氢效果的影响尚无统一定论,有研究发现添加化学试剂可以有效抑制甲烷菌活性,提高产氢量。Hu等[23]研究表明,氯仿预处理产氢效果高于酸、碱预处理,甲烷菌对氯仿有较强的敏感性,在氯仿浓度较低条件下可以被完全抑制。Liang等[24]研究表明,·011·氯仿预处理下氢气转化率较低,仅为0.125%。同样,沈良等[10]发现氯仿预处理氢气量和氢气含量分别为38.5mL/g葡萄糖、22.46%,产氢量相对其他预处理低。氯仿预处理产氢效果不佳,原因可能是氯仿有一定毒性,产氢菌活性受到影响。Chang等[2