为解决能源枯竭、环境污染问题，开发清洁、可再生的绿色能源——氢，成为各国关注的焦点(李冬敏等，2003；徐国泉，2008；朱轩彤，2011；Kírtay，2011).氢气具有热密度大、燃烧后无污染物及可再生等特点，被认为是21世纪最理想的新能源之一(Kothari et al., 2012).而生物制氢具有消耗有机污染物的同时，生产出绿色能源的优势(刘一威等，2007；王兵等，2011).

目前广泛使用于生物制氢的反应器有连续流搅拌槽式反应器(CSTR)、颗粒污泥膨胀床反应器(EGSB)、升流式厌氧污泥床(UASB)反应器等(王继华和赵爱萍，2005；Barber and Stuckey， 1999；Gopala Krishna et al., 2008).但厌氧折流板反应器(ABR)研究的比较少.

本文采用复合式厌氧折流板反应器(HABR)作为生物制氢反应器，该反应器的优势在于抗水力及有机负荷冲击能力强、生物质停留时间长、污泥产量低，最显著的优势就是它能够纵向分离厌氧分解代谢作用(王娜等，2008；Li et al., 2007).基于以上优势，本文通过分阶段提高COD的方式研究了其乙醇型发酵的形成及其产氢及产能能力.

实验装置如图 1.HABR反应器的材质为有机玻璃，其规格为长95 cm，高为80 cm，宽12 cm，总容积为80 L，有效容积43.2 L.反应器分为5个格室，前4个格室的有效容积为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.前4个格室的上部水面下设置了10 cm厚的砾石填料层，填料以穿孔有机玻璃为底部支架.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个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算(耿亚鸽等，2009).进水由恒流泵泵入.

图 1(Fig. 1)

图 1 HABR反应器结构示意图(1.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) Fig. 1 Schematic diagram of HABR(1. Wastewater tank; 2. Constant flow pump; 3. The reactor; 4. The outlet; 5. Gas meter; 6. Drain outlet)

实验污泥驯化阶段、启动及运行阶段采用的都是由废赤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(郑国臣等，2012).

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.然后装入曝气池里进行曝气处理.每天停止曝气1~2 h进行沉淀，去掉上层废液，然后补充营养物质，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18.43 g · L^-1，总悬浮固体(SS)质量浓度为28.33 g · L^-1，VSS/SS(生物活性)为65.05%，污泥状态良好.

试验采用水力停留时间为12 h不变，采取低有机负荷启动(Thanwised et al., 2012；Wu et al., 2013；Nachaiyasit and Stuckey， 1997；Qi et al., 2013)，通过分阶段提高进水COD浓度来提升有机负荷.初始COD约为2500 mg · L^-1左右，每次提高COD的幅度约为2000 mg · L^-1左右，每次提升COD要稳定运行24个HRT后，再进行下一个负荷提高阶段(李永峰等，2013).

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(国家环保局《水与废水监测分析方法》编委会，1997)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(VFAs)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.

由于污泥预处理采取的方式为曝气处理，而产甲烷菌属于严格专性厌氧菌，所以在预处理过程遇氧后会立即受到抑制，甚至会死亡，而同时，反应器稳定运行过程中的pH值基本保持在5以下，产甲烷菌在pH值6以下便停止产甲烷活动(Gómez et al., 2011)，所以本文不考虑反应器产生甲烷的情况.

图 2显示了第一格室到第五格室产氢量的变化情况.各格室的产氢速率都随着反应COD的提高相应的有所提高，但是在COD从6500 mg · L^-1提高到8500 mg · L^-1时，呈略微下降的趋势.

图 2(Fig. 2)

图 2 各格室产氢情况 Fig. 2 Hydrogen generated in each compartment

在HABR反应器运行的第一阶段(1~34 d)，即启动及达到稳定运行阶段，各格室的产气速率在启动阶段(1~20 d)呈波动上升趋势，在COD为4500 mg · L^-1左右时的稳定运行期间的平均产氢速率为5.80 L · d^-1.在HABR分别进入第二阶段(35~49 d)和第三阶段(50~64 d)的负荷提高的冲击下，各格室的产氢速率波动5~6 d后达到稳定状态.第二阶段COD提升到6500 mg · L^-1左右，此阶段的平均产氢速率为14.91 L · d^-1.第三阶段，当COD提升到8500 mg · L^-1左右时，反应器的产氢速率略微下降，平均为14.29 L · d^-1.

在这64 d的运行过程中，第二格室产氢速率最高，其次为第一格室和第五格室.各格室在前两个阶段中都表现出随COD的阶段性提高而呈现规律的阶段性提高.在3个运行阶段的稳定期，第一格室的平均产氢速率分别为1.23、2.38、2.11 L · d^-1；第二格室平均产氢速率分别为2.97、6.23、6.19 L · d^-1；第三格室产氢速率分别为0.01、1.72、1.56 L · d^-1；第四格室产氢速率分别为0.01、1.64、1.48 L · d^-1；第五格室的产氢速率分别为1.20、2.94、2.61 L · d^-1.整个过程的最佳运行效果在第二阶段.在第三阶段，COD进一步提高，产氢速率比第二阶段略微下降，原因是COD过高引起格室内部酸化，使产氢细菌活动受到部分抑制所致.

COD有机负荷对乙醇型发酵类型的形成及产氢量的影响见图 3.图 4为反应器在乙醇型发酵的启动运行过程中，不同COD阶段的乙醇与乙酸单独占液相产物的比例以及乙醇和乙酸的比值关系.

图 3(Fig. 3)

图 3 COD与产氢量及乙醇型发酵的关系 Fig. 3 Relationship between COD and yield of hydrogen and ethanol type fermentation

图 4(Fig. 4)

图 4 乙醇和乙酸的关系 Fig. 4 Relationship between ethanol and acetic

在启动初期阶段(COD为2500 mg · L^-1)，好氧活性污泥接种到厌氧反应器中，微生物首先要经过一个适应、驯化的过程，在此过程中，各格室的乙醇+乙酸含量占总挥发酸的60%以下，结合图 4中乙醇型发酵过程中乙醇与乙酸的关系图来看，乙醇单独平均比例只有23.93%，乙醇/乙酸的比值也只有0.71，乙醇型发酵菌群处于适应环境状态，故产氢量较低.COD提高至4500 mg · L^-1，经过几天的冲击波动，各格室都达到60%以上，第二、五格室达到70%以上，首先形成相对稳定的乙醇型发酵细菌群落体系.随后第一格室形成，第三、四格室最后形成.其原因与有机酸的积累有关，后面的格室积累了部分前面格室的有机酸，有机酸积累的越多对乙醇型发酵的形成越不利.而第5格室的容积较大，在一定程度上起到了缓冲的作用.从图 4中也可以看出，此阶段乙醇的比例上升到31.87%，乙醇/乙酸的比值上升到0.83，说明乙醇型发酵菌群活性逐渐活跃，产氢量上升.

随着COD的进一步提高，各格室在上一阶段的基础上，乙醇+乙酸含量百分比略有提高，产氢量大幅度提高，乙醇的比例也达到了37.89%，乙醇/乙酸的比值也达到最高值0.96，说明此阶段时底物充足并被充分利用，即此阶段的乙醇型发酵菌群活动活跃，此时的环境条件最适合.而再进一步提高至8500 mg · L^-1时，乙醇+乙酸含量百分比稍有下降，产氢量没有随着COD的提高而上升.说明此阶段的COD有机负荷过高，格室内形成酸化状态，降低了乙醇型发酵菌群的活性.从图 4中也可看出，由于酸化影响，液相产物中酸的浓度增加，导致乙醇的比例相对下降，乙醇占液相产物的比例也下降为35.00%，故产氢量也略微下降.

虽然各格室均形成乙醇型发酵，但从图 3可看出，各格室的乙醇+乙酸占液相产物的比例是不同的，这是由于COD在进入每一个格室的时候都是不相同的，也就是每个格室的启动驯化的条件是不同的，这就影响了乙醇型发酵菌群的结构组成，故表现出不同的产氢能力及产挥发酸的能力，这与宫曼丽等(2003)研究生物制氢反应系统初始容积负荷对乙醇型发酵形成的影响的结论也是相符的.

COD去除率也是厌氧发酵制氧过程中反应器运行效率的重要指标.根据生物制氢的机制，有机底物主要是被乙醇型发酵菌群消耗产生H₂、CO₂释放以及细胞合成得以去除.从图 5中可以看出，第一格室的COD去除率始终是高于其它格室的，并且呈现出纵向渐渐下降的态势，但到第五格室又有提升并与第二格室不相上下.说明第一格室的微生物生物量较高，活性较强，此外第一格室的营养供给较足.第三、四格室在后期也因酸化而导致COD去除率有所下降.第五格室COD去除率又提高是因为其容积较其他格室大，废水在该格室停留时间长，絮状污泥与有机质接触的时间也就相对较长，因此第五格室的COD去除率有所提高.从图 5中所示的结果可以看出，整个反应器的总体去除率在第一阶段呈现出曲折上升的状态，稳定阶段的平均去除率为40.89%，第二阶段的去除效果最好，平均去除率为43.34%，第三阶段呈下降趋势，平均去除率为41.94%，此阶段COD过高，乙醇型发酵菌群已经不能消化更多的有机物，另外，过高的有机负荷导致反应器内部的状代谢产物有机酸等的积累，导致pH下降，部分抑制了微生物的活性.

图 5(Fig. 5)

图 5 各格室及反应器总体COD去除率 Fig. 5 COD removal rate in total and each compartment

由图 6可知，各格室产液相产物的规律特征表现出与产氢量相同的变化规律.在反应启动初期(1~14 d)，第一格室形成了丁酸型发酵，丁酸与乙酸之和达到总液中间相产物的69.12%，启动后期(15~34 d)，COD的提高，使乙醇+乙酸的含量百分比提高到68.79%，乙酸+丁酸的含量百分比下降到60.67%，由丁酸型发酵转变为乙醇型发酵.第一格室接受pH为7左右的原人工配水，pH也保持在4.5~5.0之间.第二格室在启动期接受了第一格室处理后的废水直接形成了乙醇型发酵，乙醇与乙酸之和占总液中间相产物的百分比由初期的63.54%上升到启动后期的84.00%.第三格室虽然在启动期乙醇+乙酸的百分比达到60%以上，但是从第三格室的图中可以看出，乙酸的含量明显高于其他，而乙醇和丁酸的含量相差无几，并非为典型的乙醇型发酵.第四格室的乙醇+乙酸百分比由启动初期的51.82%上升到后期的60.37%，丁酸+乙酸的百分比由70.15%下降到64.18%，表明第四格室由丁酸型发酵转变为乙醇型发酵，但也并非是严格意义上的乙醇型发酵.第五格室的乙醇+乙酸百分比由64.39%上升到76.01%，丁酸+乙酸的百分比由64.81%下降到56.62%，由丁酸型发酵转变成乙醇型发酵.

图 6(Fig. 6)

图 6 各格室液相产物浓度 Fig. 6 Liquid product concentration in each compartment

反应进行的第二阶段(35~49 d)，由于有机负荷的提高，各格室的乙醇型发酵得到巩固，各格室的乙醇+乙酸百分比依次为78.74%、84.78%、70.48%、74.62%、79.78%.

在第三阶段(50~64 d)，但是由于有机负荷的过度提高，超过了微生物的能够消化的程度，出现有机负荷过高的情况，产生pH值下降，产生酸化状态，微生物的活动受到抑制.中间产物的浓度比例有所变化，乙醇和乙酸之和的比例有所下降，但并没有引起反应的崩溃，各格室表现出COD去除率、pH有所下降，整体上没有影响反应器各格室的发酵类型.

pH是反应器内微生物群落生长代谢的重要影响因子.不同的微生物种类体内的酶在不同pH值条件下表现出不同的活性.如图 7所示，第一格室在启动初期表现为丁酸型发酵时其pH值在5.0左右，原因一是由于接受原配水的pH值较高，二是由于pH值为5.0是适合丁酸型发酵微生物群的生长.启动后期COD的提高导致pH值下降到4.5~5.0之间，发酵类型由丁酸型转变为乙醇型.第二格室接受的废水是经过第一格室处理过的，避免了pH值变化的冲击，从启动后期开始，始终处在4.0~4.5之间，此区间的pH值非常适合乙醇型发酵菌群的生长，故第二格室很顺利的形成了乙醇型发酵.第三、四格室的pH值较低，是由于前格室有机酸积累的原故，虽然也形成了乙醇型发酵，但并非严格意义上的乙醇型发酵，在产氢速率和产乙醇速率上也可以看出.而第五格室的容积较前四个格室都大，虽然在一定程度上起到缓冲的作用，但也避免不了过多的有机酸的积累.从图 7中可以看出，在第三阶段时，有机酸积累过多导致各格室pH值都呈下降趋势.另外，从图 7中也可看出，进水的pH值差别较大，是因为人工废水在进水箱内经过24 h的放置，自身发生酸化.但是进水pH值的波动并没有影响到反应内部微生物的代谢，从此可反应出反应器及乙醇型发酵菌群较强的抗波动能力.

图 7(Fig. 7)

图 7 各格室中pH的变化 Fig. 7 pH variation in each compartment

乙醇作为一种生物能源也可以进行收集利用，表 1列出了在不同COD条件下稳定运行阶段的平均产能情况.从表 1中可看出，产能最高量为3340.62 kJ · d^-1也发生在COD为6500 mg · L^-1阶段，并且乙醇占绝大部分，然后随COD的升高略有下降.

表1(Table 1)

表1 不同COD条件下产能情况 Table 1 Hydrogen production of different COD condition

表1 不同COD条件下产能情况 Table 1 Hydrogen production of different COD condition COD/ (mg·L-1) 氢能/ (kJ·d-1) 乙醇能/ (kJ·d-1) 总能/ (kJ·d-1) 注：氢能=产氢速率(L · d-1)×1/22.4(mol · L)×286(kJ · mol-1); 乙醇能=产乙醇速率(mg · d-1)×1/46(mol · g-1)×1366(kJ · mol-1). 2500 7.67 688.73 696.40 4500 74.97 1975.36 2050.33 6500 190.39 3150.23 3340.62 8500 178.33 3144.06 3322.39

图 8显示出HABR制氢系统在不同COD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y(氢)=0.351x(乙醇)-0.181(R²=0.9767).

图 8(Fig. 8)

图 8 氢与乙醇产率关系图 Fig. 8 Relationship between H2 and ethanol production rate

此外，氢与乙醇分别在气相与液相里，为分开收集提供了便利条件.氢与乙醇的共同收集利用可增加反应器的经济效益，为大规模生产提供一定的参考.

1)以赤糖废水为底物，通过分阶段提高进水COD的方式，可使HABR系统在20 d的启动期的培育驯化形成出乙醇型发酵菌群体系.

2)由于废水进入每个格室的状态不同，各格室虽然都形成了乙醇型发酵体系，但其产氢效能有所不同.可见在不同条件下(COD、pH值等)启动形成的乙醇型发酵，其产氢能力也有所差异.有机酸积累的越多，pH值越低，越不利于形成乙醇型发酵，即使形成了乙醇型发酵，其产氢能力也较低.

3)本实验HABR系统在COD为6500 mg · L^-1左右时效果最佳，去除率达到43.34%，平均产氢量达到16.09 L · d^-1.第三阶段，过高的COD和过低的pH值成为反应器的限制因素，在后续研究中可考虑添加适应的盐类来中和过多的有机酸，使系统可持续运行.

4)乙醇型发酵系统同时产生氢和乙醇，提高反应器能量生产，增加经济效益.在COD为6500 mg · L^-1左右时达到最高，平均产能量为3340.62 kJ · d^-1.在不同COD条件下系统产生氢气与乙醇速率的线性关系可表示为y(氢)=0.351x(乙醇)-0.181(R²=0.9767).