CN101851592B - 一种混合产氢细菌自絮凝颗粒及其培养方法 - Google Patents

一种混合产氢细菌自絮凝颗粒及其培养方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合产氢细菌自絮凝颗粒及其培养方法。该方法包括以下步骤：1)将生物制氢发酵液置于生物制氢装置中，将COD浓度为0.5-40g/L的含糖水以水力停留时间为12-8h的速度连续流入所述生物制氢装置中，调节所述生物制氢装置中的pH为4.0-8.0，15-37℃、厌氧反应0.5-3个月；2)缩短水力停留时间至4-2h，调节所述生物制氢装置中的pH为4.0-8.0，15-37℃、厌氧反应至少0.5个月，得到自絮凝颗粒。利用本发明的自絮凝颗粒进行废水处理生物制氢时，当废水的COD浓度为0.5-40g/L、水力停留时间为4-2h的条件下，生物制氢反应器运行稳定，反应器的比体积产氢速率高，废水处理能力强，产生的气体中只有H2和CO2，其中H2的体积百分含量在30％左右，废水中有机物的降解率在99％以上。

Description

一种混合产氢细菌自絮凝颗粒及其培养方法
技术领域
本发明涉及一种混合产氢细菌自絮凝颗粒及其培养方法。
背景技术
氢能作为一种热值高、零排放、环境友好的能源载体已经成为全世界的重点研究课题。与传统的化学方法和电解水制氢方法相比，生物制氢法的优点是：制氢条件温和、原料来源广泛且制氢成本低。生物制氢法如果能够以废弃的有机物为原料，还能解决因有机废弃物引起的环保问题，实现废弃物的资源化利用，因此得到越来越多的重视。
微生物产氢能力的高低直接决定废水处理生物制氢系统的效率，所以开发产氢能力强的产氢微生物是生物制氢技术的关键问题，目前国内外都在利用不同途径获取具有高产氢能力的微生物菌株。
专利号为ZL00105462.7的专利中公开了一种生物制氢发酵液的制备方法。利用该发酵液处理啤酒厂废水、柠檬酸厂废水、糖蜜废水或粮食作物制乙醇废水等，均可以得到较高的氢气产量。
目前，连续生物制氢的研究工作一般是在完全共混型生物制氢反应器中进行。当有机负荷较高即底物浓度较高或者水力停留时间(HRT)较低(HRT低于4小时)时，容易造成产氢细菌的洗出，从而引起反应器内产氢细菌浓度的降低，使反应器的比体积产氢速率和废水处理能力降低。载体固定化技术是一种广泛用于解决上述缺点的方法，可以使生物制氢在低水力停留时间的条件下稳定运行，但是由于增加了载体，提高了水处理成本，同时导致底物和产氢细菌间传质效率低、使产氢细菌产氢能力降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种混合产氢细菌自絮凝颗粒及其培养方法，以解决现有的利用有机废水生物制氢方法中存在的有机负荷高时产氢细菌易洗出、比体积产氢速率低的缺点。
本发明所提供的自絮凝颗粒的培养方法包括以下步骤：
1)将生物制氢发酵液置于生物制氢装置中，将COD浓度为0.5-40g/L的含糖水以水力停留时间为12-8h的速度连续流入所述生物制氢装置中，调节所述生物制氢装置中的pH为4.0-8.0，15-37℃、厌氧反应0.5-3个月；
所述生物制氢发酵液是按照如下方法制备的：
将粮食与蒸馏水在避光条件下混合，用氮气置换体系中的氧，在无氧的状态、5-35℃的温度下进行加水分解反应，加水分解时间为1-4个月，得到生物制氢培养液；
将上述生物制氢培养液在无氧避光的条件下继续加入蒸馏水，在5-35℃的温度下发酵，发酵过程在无氧条件下进行，发酵时间为1-4个月，得到生物制氢发酵液；
2)缩短水力停留时间至4-2h，调节所述生物制氢装置中的pH为4.0-8.0，15-37℃、厌氧反应至少0.5个月，得到自絮凝颗粒。
上述方法中，所述生物制氢装置为上流式生物反应器。
上述方法中，所述步骤1)中，所述含糖水的COD浓度为10-15g/L，具体可为12.5g/L；
所述步骤1)中，所述水力停留时间为8h；
所述步骤1)和步骤2)中，所述生物制氢装置中的pH为5.5-6.0；
所述步骤1)和步骤2)中，所述反应温度为25-35℃；
所述步骤2)中，所述反应时间为0.5-3个月。
所述含糖水为含有糖的有机废水，具体可为柠檬酸加工废水、啤酒加工废水、糖蜜加工废水或玉米加工废水等粮食加工废水或粮食作物利用行业废水。
其中，含糖废水的COD浓度可以在很大的范围内变化，浓度过大，操作上相对难一些；而浓度小则操作上简单一些，自絮凝颗粒的形成不受COD浓度的限制。
采用上述方法得到的自絮凝颗粒也属于本发明的保护范围。
所述自絮凝颗粒的粒径为1-10mm。
本发明利用专利号为ZL00105462.7的专利中公开的生物制氢发酵液，以工业废水为原料，在生产氢气的同时还解决了工业废水的处理问题。在无氧的条件下，通过控制上流式生物反应器的运行参数，克服了现有技术中低水力停留时间下产氢效率低的问题，在生物反应器中形成了稳定的混合产氢细菌自絮凝颗粒。本发明的自絮凝颗粒呈黄色，粒径在1-10mm之间，不含甲烷生成细菌、硫酸盐还原细菌等，因此可同时大幅度提高产氢速率和废水处理能力，提高了单个生物反应器的制氢能力。在不增加基建费用的前提下，只需将现有上流式生物反应器中的厌氧活性污泥换成本发明的自絮凝颗粒，在常温、常压下就可以高效处理废水，并且使废水处理能力在原有基础上提高6倍以上，同时还生成大量的氢气，代谢产物单纯，为H2、CO2、乙酸、丁酸等，其中乙酸和丁酸可直接回收利用，使工业化生物制氢变成可能，且经济有效。
利用本发明的自絮凝颗粒进行废水处理生物制氢时，当废水中COD浓度为0.5-40g/L、水力停留时间为4-2h的条件下，生物制氢反应器运行稳定，反应器的比体积产氢速率高，废水处理能力强，产生的气体中只有H2和CO2，其中H2的体积百分含量在30％左右，废水中有机物的降解率在99％以上。
本发明制备氢气的方法原料来源广泛、成本低廉，其成本远远低于传统的工业化制氢方法，且代谢产物简单。用本发明方法制备氢气，既可控制环境污染、变废为宝，又可产生新能源，且大大降低制氢成本，具有工业实用性，符合国家可持续发展战略的能源政策和环境政策，处理废水的同时，获得清洁能源氢气，本发明方法具有广阔的应用前景、显著的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为利用本发明方法获得的自絮凝颗粒
具体实施方式
下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和生物材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1、混合产氢细菌自絮凝颗粒的培养
1、生物制氢发酵液的制备
参见专利号为ZL00105462.7的专利中公开的生物制氢发酵液的制备方法。将50g大豆和200ml蒸馏水加入到棕色瓶中，然后用N2将棕色瓶中的O2赶走，用瓶塞塞紧瓶子，使大豆在无氧条件下进行水解反应，水解反应的温度为5℃，水解反应的时间为2个月，得到生物制氢培养液；
将300ml上述生物制氢培养液和700ml蒸馏水加入到棕色瓶中，然后用N2将棕色瓶中的O2赶走，用瓶塞塞紧瓶子，进行发酵培养，发酵培养的温度为5℃，发酵培养的时间为2个月，得到生物制氢发酵液。
2、自絮凝颗粒的培养及用自絮凝颗粒制备氢气
将500ml上述步骤1制备的生物制氢发酵液移入有效容积为1L的上流式生物反应器中，用COD浓度为12.5g/L的蔗糖水溶液模拟含糖废水，以水力停留时间为8h的速度连续流入上述生物制氢装置中，调节上流式生物反应器中的pH为4.0-8.0，无氧、35℃的条件下反应0.5-3个月。
在蔗糖水溶液中蔗糖降解率始终高于90％的基础上，调节上流式生物反应器中的pH为5.0-7.0，降低水力停留时间，当水力停留时间为4h时，稳定运行0.5个月后，上流式反应器中即形成稳定的混合产氢细菌自絮凝颗粒。随着运行时间的增加，自絮凝颗粒的粒径也逐渐增大。形成的自絮凝颗粒呈黄色，粒径在1-10mm之间，自絮凝颗粒的形状如图1所示。图1中，反应器横截面的内径为4cm。
实验设三次重复，结果表明，在产生自絮凝颗粒的同时还生成了氢气，氢气生成的平均速度为3.9m3/(天·m3反应器)，气体产物只有H2和CO2，其中，H2的体积百分含量为30％，糖降解率高于99％。
实施例2、混合产氢细菌自絮凝颗粒的培养
1、生物制氢发酵液的制备
参见专利号为ZL00105462.7的专利中公开的生物制氢发酵液的制备方法。将50g玉米和200ml蒸馏水加入到棕色瓶中，然后用N2将棕色瓶中的O2赶走，用瓶塞塞紧瓶子，使玉米在无氧条件下进行水解反应，水解反应的温度为5℃，水解反应的时间为2个月，得到生物制氢培养液；
将300ml上述生物制氢培养液和700ml蒸馏水加入到棕色瓶中，然后用N2将棕色瓶中的O2赶走，用瓶塞塞紧瓶子，进行发酵培养，发酵培养的温度为5℃，发酵培养的时间为2个月，得到生物制氢发酵液。
2、自絮凝颗粒的培养及用自絮凝颗粒制备氢气
将500ml上述步骤1制备的生物制氢发酵液移入有效容积为1L的上流式生物反应器中，用COD浓度为12.5g/L的蔗糖水溶液模拟含糖废水，以水力停留时间为8h的速度连续流入上述生物制氢装置中，调节上流式生物反应器中的pH为4.0-8.0，无氧、35℃的条件下反应0.5-3个月。
在蔗糖水溶液中蔗糖降解率始终高于90％的基础上，调节上流式生物反应器中的pH为5.0-7.0，降低水力停留时间，当水力停留时间为4h时，稳定运行0.5个月后，上流式反应器中即形成稳定的混合产氢细菌自絮凝颗粒。随着运行时间的增加，自絮凝颗粒的粒径也逐渐增大。形成的自絮凝颗粒呈黄色，粒径在1-10mm之间，自絮凝颗粒的形状如图1所示。图1中，反应器横截面的内径为4cm。
继续缩短水力停留时间为2h，35℃、厌氧反应0.5个月，得到氢气。
实验设三次重复，结果表明，氢气生成的平均速度为6.5m3/(天·m3反应器)，气体产物只有H2和CO2，其中，H2的体积百分含量为30％，糖降解率高于99％。

Claims (7)

1.一种混合产氢细菌自絮凝颗粒的培养方法，包括以下步骤：
1)将生物制氢发酵液置于生物制氢装置中，将COD浓度为10-15g/L的含糖水以水力停留时间为12-8h的速度连续流入所述生物制氢装置中，调节所述生物制氢装置中的pH为4.0-8.0，15-37℃、厌氧反应0.5-3个月；
2)缩短水力停留时间至4-2h，调节所述生物制氢装置中的pH为4.0-8.0，15-37℃、厌氧反应至少0.5个月，得到混合产氢细菌自絮凝颗粒。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述生物制氢装置为上流式生物反应器。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述含糖水为粮食加工废水。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述水力停留时间为8h。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)和步骤2)中，所述生物制氢装置中的pH为5.5-6.0。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1和步骤2)中，所述反应温度为25-35℃。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述反应时间为0.5-3个月。
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