CN103865957B - 一种联合产氢产乙酸菌和产电菌强化生物制氢效能的方法 - Google Patents
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Abstract
一种联合产氢产乙酸菌和产电菌强化生物制氢效能的方法，属于制氢方法技术领域。该方法是利用联合产氢产乙酸菌和产电菌深度降解有机物，通过调控暗发酵工艺运行参数实现出水产氢产乙酸菌末端产物中乙酸的高效累积，并将其出水作为电催化反应器的底物，调控附加电压值，以Ni纳米颗粒作为催化剂，不锈钢作为阴极，碳布作为阳极，利用产电菌的胞外电子传递作用，将产氢产乙酸菌发酵末端产物进一步降解转化为氢气，从而减弱“发酵障碍”现象，实现产氢产乙酸菌和产电菌联合高效制氢，集产能和治污为一体，具有节约成本，能耗小，产氢效率高等特点。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种联合产氢产乙酸菌和产电菌来强化生物制氢效能的方法。属于生物制氢方法技术领域，是特别设计的一种联合产氢产乙酸菌和产电菌的方法来减弱“发酵障碍”现象和提高氢气产率的生物制氢方法。
背景技术：
通过厌氧发酵技术制氢，包括光发酵和暗发酵技术，利用微生物的新陈代谢作用，集治污和产能为一体，具有清洁、节能和实现废弃物资源化等优点，已得到广泛的重视和发展。其中光发酵技术利用藻类和光合细菌在太阳能的作用下产氢，由于反应过程同时受光照条件、光照强度等影响，使得光发酵技术存在一定的应用局限性。而暗发酵技术，通过构建厌氧条件，利用厌氧发酵产氢菌降解有机物产氢，虽然克服了光发酵过程对光照条件的限制，但由于“发酵障碍”现象的存在，实际产生的氢气只是理论的1/6-1/4。
其中厌氧发酵产氢菌作为暗发酵技术的优势菌，近年来对其的研究更加深入。在现有研究中发现，在暗发酵反应过程中，产生的挥发性脂肪酸无法进一步被厌氧发酵产氢菌自发转化为H2，容易导致暗发酵反应器运行的不稳定和底物转化的不彻底，使得发酵制氢的发展受到了限制。而电催化技术的优势菌产电菌，以有机废水为电子供体，可通过胞外电子的传递作用，降解底物释放电子和质子，并在阴极由质子接收电子产生H2。当废水中的有机物通过丙酮酸途径代谢生成乙酸、丙酸及丁酸等挥发性脂肪酸后，在电催化设备两极附加电压的驱动下，产电菌可将挥发性脂肪酸末端产物进一步降解并释放质子和电子，从而大幅度提高H2产率并在一定程度上解决了暗发酵过程的“发酵障碍”现象。但实际产生的氢气还是远远低于理论值。
发明内容：
本发明的目的在于针对目前生物制氢领域暗发酵制氢出现的“发酵障碍”现象，提供一种可减弱“发酵障碍”现象的制氢方法。
现有的研究表明暗发酵的末端产物乙酸是电催化技术的优势制氢底物。故本发明通过联合产氢产乙酸菌和产电菌，利用正交实验强化产氢产乙酸菌末端产物中乙酸的高效累积，进而将其作为产电菌的底物进行产氢。本发明设计的产氢产乙酸菌和产电菌联合制氢方法，在实现高效产氢解决暗发酵“发酵障碍”的同时可实现高浓度有机废水的降解，从而实现产能和治污的有机结合。
本发明采用的联合产氢产乙酸菌和产电菌的方法来深度降解有机物可实现产氢率的提高。其中产氢产乙酸菌的富集通过添加污水处理厂二沉池好氧活性污泥作为种泥或接种纯种产氢产乙酸菌，直接引入反应器中，通过调控相关因子来实现。反应器启动过程固定水力停留时间，逐步增加进水基质浓度，以高浓度有机废水为底物。运行稳定后，通过正交实验，设计三因素三水平实验，获得强化末端产物中乙酸高效积累的最优参数pH、C/N及二溴乙烷磺酸盐（BES）的阈值。而产电菌的富集则以微生物燃料电池（MFC）的方式，构建MFC接种二沉池好氧活性污泥或接种纯种产电菌，通过测定产生的电压值和对底物的降解率来判断产电菌富集的成功与否。最后控制暗发酵反应器在最优参数下运行稳定后，将其出水引入电催化反应器中，实现稳定产氢，产氢效率可在现有基础上提高1倍。
本发明的主要特点在于：
（1）产氢产乙酸菌的富集，通过人工配水方式以固定水力停留时间，逐步增加进水基质浓度实现暗发酵反应器的启动；产电菌的富集采用微生物燃料电池（MFC）的方式实现。
（2）合理设计正交实验，调控相关因子，通过三因素三水平正交实验获得实现产氢产乙酸菌的降解末端产物中乙酸浓度高效累积的最优工艺参数。
（3）采用Ni纳米颗粒作为电催化反应器的阴极催化剂，不仅可以实现催化产氢的效果，同时比常用的Pt催化剂价格要低很多，具有节约成本和高效催化产氢的特点。
（4）充分利用产氢产乙酸菌的末端产物作为电催化反应器的底物，实现了生物制氢技术中产氢效率的提高，具有节约成本，降解高浓度废水和减弱暗发酵“发酵障碍”的特点。
具体实施方式：
以下通过实施例对本发明的内容进一步详细的加以说明。
实施例1：
对产氢产乙酸菌的富集反应器采用ABR反应器接种二沉池好氧活性污泥来进行；产电菌的富集通过MFC反应器来进行，后导入微生物电解池（MEC）中，最后利用ABR反应器的出水作为MEC的底物实现产氢产乙酸菌和产电菌的联合制氢。
1、产氢产乙酸菌和产电菌的富集
ABR进水的配制：向自来水中加入定量的碳水化合物，同时加入5.73g NH4Cl，1.32g KH2PO4，30g NaHCO3，同时加入1ml/L的微量元素溶液配制成有机废水；有机废水的化学需氧量（COD）最后控制浓度为4600mg/L，pH=7.10。
MEC启动进水的配制：配制pH=7.10的磷酸盐缓冲液，同时加入1ml/L的微量元素溶液，加入0.2g的乙酸钠，配制成200mL的溶液。
营养盐溶液的配制（mg/L）：H3BO3 50; CuCl2 30; MnSO4·H2O 50; (NH4)6Mo7O24·4H2O 50; AlCl3 50; CoCl2·6H2O 50; NiCl2 50; ZnCl2 50。
产氢产乙酸菌的驯化采用低浓度方式启动，首先将污水处理厂的二沉池好氧污泥加入ABR反应器的前四个格室中，使反应器内接种污泥浓度为10gVSS/L，然后将配制的有机废水通过蠕动泵引入反应器，反应器为厚度为10mm的透明有机玻璃制成，总有效体积为26L，反应器通过垂直折流板均分成四个格室，折流板底端角度为45°，每个格室内部尺寸宽×长×高为100mm×115mm×500mm，反应器的温度通过恒温控制仪保持在35±1℃。每个格室顶部中央设置气体收集口，产生的气体借助橡胶管，通过水封到达湿式气体流量计测量体积后放空。反应器深度200mm处设置水样取样口，每天固定时间测定反应器内水样的ORP、pH、COD和碱度，定期测定水样中的挥发性脂肪酸浓度（VFA）。实验启动阶段固定水力停留时间24h不变，逐步增加进水COD浓度，初期进水COD为500mg/L，经过一个月的启动阶段后，ABR系统进入稳定阶段，实现了产氢产乙酸菌的优势生长。
产电菌的富集采用MFC的形式，待产生的电压稳定后，将阳极生物膜转入单室MEC中，构造厌氧环境。MEC为内部直径5cm的单室结构，有效溶液体积为85mL。阳极材料采用氮气处理过的碳布（长×宽为4×2cm），阴极材料采用不锈钢网，涂布以Ni纳米颗粒作为催化剂。温度控制在30±1℃。附加的额外电压为0.6V。
2、产氢产乙酸菌末端产物乙酸的强化
通过正交实验的设计：调控相关因子，设计三因素三水平正交实验来强化产氢产乙酸菌末端产物中乙酸的高效累积，因素水平表如下表1所示。
表1 正交实验因素水平表
| 水平 | pH | C/N | BES(mmol/L) |
| 1 | 5 | 4 | 5 |
| 2 | 7 | 12 | 20 |
| 3 | 10 | 44 | 50 |
通过正交实验的设计，寻找到强化ABR出水乙酸浓度累积的最优工艺参数为pH=7，C/N=44，二溴乙烷磺酸盐（BES）=20mmol/L。最后将ABR置于最优工艺参数下运行，测得出水乙酸浓度为1031.12mg/L。
3、MEC催化阴极的制备
Ni催化阴极的制备：阴极不锈钢网两面分别为催化层和扩散层，在扩散层，以PTFE（wt60%）涂布于不锈钢网上，置于350℃的马弗炉中灼烧0.5h，重复上述步骤4次；在催化层，将16mgNi纳米颗粒溶于13.28uL的去离子水中，并加入53.28uL异丙醇溶液，随后混合于106.7uL的PTFE（wt60%）溶液中，漩涡震荡20s，最后将溶解的Ni纳米颗粒液涂布于不锈钢网的催化层一面，置于马弗炉中350℃灼烧0.5h。其催化剂Ni的含量~=2mg/cm2。
4、产氢产乙酸菌和产电菌的联合产氢
待ABR反应器在产乙酸最优工艺参数下运行稳定后，将产氢产乙酸菌的发酵末端产物接种入单室MEC反应器中，以三天为一个周期更换MEC进水。每个周期更换进水时测定COD值，并通过顶部集气口用气袋收集MEC产生的气体，采用气相色谱仪进行气体成分浓度的测定。运行稳定阶段，测得产氢效率达1.31m3 H2/m3d和2.78mlH2/mgCOD。
实施例2：
耦合产氢产乙酸菌和产电菌实现梯级有机物降解和深度产氢。其中产氢产乙酸菌和产电菌分别采用纯菌种接种入同一个厌氧反应器ABR中。在ABR反应器第一个格室中接种入二沉池好氧活性污泥将有机物进行初步降解，利用ABR的推流特征，在第二个格室中接种纯种产氢产乙酸菌，将第一个格室产生的产物降解转化为H2；最后在第三个格室中接种入纯种产电菌，利用格室中接入的阴阳极，在附加电压的催化下，将格室二产生的末端底物挥发性脂肪酸进一步降解转化为H2，从而实现产氢率的提高。
1、 反应器的启动
采用自行设计的三格室ABR反应器，反应器通过垂直折流板均分成三个格室，折流板底端角度为45°，每个格室内部尺寸宽×长×高为100mm×115mm×500mm，反应器的温度通过恒温控制仪保持在35±1℃。其中在第三个格室中垂直设置两块8cm×4cm的电极，阳极生物膜的富集采用MFC的方式，接种入纯种产电菌，待产生的电压和COD降解率稳定后，将附着有纯种产电菌的阳极转入第三个格室中，阴极采用涂布有Ni纳米颗粒的不锈钢，两极间距为25mm。
进水的配制：向自来水中加入定量的碳水化合物，氮源和磷源，并加入1ml/L的微量元素溶液配制成有机废水；有机废水的化学需氧量（COD）最后控制浓度为4600mg/L，调控进水COD=4600mg/L, pH=7，C/N=44，二溴乙烷磺酸盐（BES）=20mmol/L。第三个格室附加的额外电压为1.0V。进水以蠕动本的形式连续流运行ABR反应器。保持水力停留时间24h不变。
2、 催化电极的制备
Ni催化阴极的制备：阴极不锈钢网两面分别为催化层和扩散层，在扩散层，以PTFE（wt60%）涂布于不锈钢网上，置于350℃的马弗炉中灼烧0.5h，重复上述步骤4次；在催化层，将64mgNi纳米颗粒溶于53.12uL的去离子水中，并加入213.2uL异丙醇溶液，随后混合于426.8uL的PTFE（wt60%）溶液中，漩涡震荡20s，最后将溶解的Ni纳米颗粒液涂布于不锈钢网的催化层一面，置于马弗炉中350℃灼烧0.5h。其催化剂Ni的含量~=2mg/cm2。
3、耦合产氢产乙酸菌和产电菌制氢
当反应器启动稳定运行后，通过顶部的集气口，产生的气体借助橡胶管，通过水封到达湿式气体流量计测量体积后放空。反应器深度200mm处设置水样取样口，定期测定第一格室的乙酸浓度，以连续流的方式运行。经过一个月的稳定运行后，第三个格室获得的氢气产率是第一个格室的两倍，测得总的产氢效率达4.31m3 H2/m3d和8.78mlH2/mgCOD。
Claims (1)
1.一种联合产氢产乙酸菌和产电菌强化生物制氢效能的方法，其特征在于包含以下步骤：对产氢产乙酸菌的富集反应器采用ABR反应器接种二沉池好氧活性污泥来进行；产电菌的富集通过MFC反应器来进行，后导入MEC中，最后利用ABR反应器的出水作为MEC的底物实现产氢产乙酸菌和产电菌的联合制氢；
(1)、产氢产乙酸菌和产电菌的富集
ABR进水的配制：向自来水中加入定量的碳水化合物，同时加入5.73g NH4Cl，1.32gKH2PO4，30g NaHCO3，同时加入1mL/L的微量元素溶液配制成有机废水；有机废水的COD最后控制浓度为4600mg/L，pH＝7.10；
MEC启动进水的配制：配制pH＝7.10的磷酸盐缓冲液，同时加入1mL/L的微量元素溶液，加入0.2g的乙酸钠，配制成200mL的溶液；
微量元素溶液的配制：H3BO3 50mg/L；CuCl2 30mg/L；MnSO4·H2O 50mg/L；(NH4)6Mo7O24·4H2O 50mg/L；AlCl3 50mg/L；CoCl2·6H2O 50mg/L；NiCl2 50；ZnCl2 50mg/L；
产氢产乙酸菌的驯化采用低浓度方式启动，首先将污水处理厂的二沉池好氧污泥加入ABR反应器的前四个格室中，使反应器内接种污泥浓度为10gVSS/L，然后将配制的有机废水通过蠕动泵引入反应器，反应器为厚度为10mm的透明有机玻璃制成，总有效体积为26L，反应器通过垂直折流板均分成四个格室，折流板底端角度为45°，每个格室内部尺寸宽×长×高为100mm×115mm×500mm，反应器的温度通过恒温控制仪保持在35±1℃；每个格室顶部中央设置气体收集口，产生的气体借助橡胶管，通过水封到达湿式气体流量计测量体积后放空；反应器深度200mm处设置水样取样口，每天固定时间测定反应器内水样的ORP、pH、COD和碱度，定期测定水样中的挥发性脂肪酸浓度；实验启动阶段固定水力停留时间24h不变，逐步增加进水COD浓度，初期进水COD为500mg/L，经过一个月的启动阶段后，ABR系统进入稳定阶段，实现了产氢产乙酸菌的优势生长；
产电菌的富集采用MFC的形式，待产生的电压稳定后，将阳极生物膜转入单室MEC中，构造厌氧环境；MEC为内部直径5cm的单室结构，有效溶液体积为85mL；阳极材料采用氮气处理过长×宽为4×2cm的碳布，阴极材料采用不锈钢网，涂布以Ni纳米颗粒作为催化剂；温度控制在30±1℃，附加的额外电压为0.6V；
(2)、产氢产乙酸菌末端产物乙酸的强化
通过正交实验的设计：调控相关因子，设计三因素三水平正交实验来强化产氢产乙酸菌末端产物中乙酸的高效累积：通过正交实验的设计，寻找到强化ABR出水乙酸浓度累积的最优工艺参数为pH＝7，C/N＝44，二溴乙烷磺酸盐＝20mmol/L；最后将ABR置于最优工艺参数下运行，测得出水乙酸浓度为1031.12mg/L；
(3)、MEC催化阴极的制备
Ni催化阴极的制备：阴极不锈钢网两面分别为催化层和扩散层，在扩散层，以wt60％的PTFE涂布于不锈钢网上，置于350℃的马弗炉中灼烧0.5h，重复上述步骤4次；在催化层，将16mgNi纳米颗粒溶于13.28uL的去离子水中，并加入53.28uL异丙醇溶液，随后混合于106.7uL wt60％的PTFE溶液中，漩涡震荡20s，最后将溶解的Ni纳米颗粒液涂布于不锈钢网的催化层一面，置于马弗炉中350℃灼烧0.5h，其催化剂Ni的含量～＝2mg/cm2；
(4)、产氢产乙酸菌和产电菌的联合产氢
待ABR反应器在产乙酸最优工艺参数下运行稳定后，将产氢产乙酸菌的发酵末端产物接种入单室MEC反应器中，以三天为一个周期更换MEC进水；每个周期更换进水时测定COD值，并通过顶部集气口用气袋收集MEC产生的气体，采用气相色谱仪进行气体成分浓度的测定；运行稳定阶段，测得产氢效率达1.31m3H2/m3d和2.78mlH2/mg COD。
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