餐厨垃圾发酵生物制氢研究进展

2.3 重金属与其他添加剂
Na+是餐厨垃圾中最主要的金属离子。Na+不仅是微生物细胞的构成组分，而且一定的盐浓度对维持细胞的渗透压有着重要作用。洪天求等[27]以蔗糖为底物，对不同Na+浓度的条件下的产氢率、比产氢率和糖降解率等进行研究，结果发现Na+浓度较低时（<1000 mg/L）时，对微生物的活性和产氢能力有不良影响；而Na+浓度在1000~2000 mg/L之间时，对发酵产氢有一定促进作用； Na+浓度的进一步提高（8000~16000 mg/L），会逐渐影响微生物对营养物质的吸收而产生抑制作用。
表1 餐厨垃圾发酵产氢工艺与产氢效率研究结果

铁广泛存在于发酵产氢微生物的细胞色素、酶的辅助因子、铁氧还蛋白和其他铁硫蛋白中，是大多数细菌生长的必要元素。镍也是厌氧菌种某些酶的必要元素，但高浓度的镍对微生物的生理代谢有毒害作用。镁不仅是酶的辅助成分，也是细胞膜和细胞壁的组成成分，而且对一些重金属的毒性有拮抗作用。林明等[28]对典型的乙醇型产氢菌种B49受铁、镍、镁三种重金属离子的影响进行研究，结果发现三种重金属均对微生物的生长发酵有促进作用，但在微生物生长不同时期的地位有所不同。在发酵初期重金属离子的促进作用顺序为Fe2+>Mg2+>Ni2+，末期顺序为Fe2+>Ni2+>Mg2+。曹东福等[29]对不同价态的铁对发酵产氢效率与氢气浓度的影响进行进一步研究，发现Fe、Fe2+、Fe3+对污水处理厂处理厌氧污泥发酵蔗糖的产氢效果都有促进作用，在Fe2+浓度为1000 mg/L时产氢率达到了最大，最高产氢浓度为56.5%。而Wang等[30]在铁对产氢菌种B49影响的实验中发现，在一定浓度内单质Fe的作用大于Fe2+。这与丁杰等[31]研究不同价态铁对实验室培养混合菌种的作用结果一致。导致实验结果出现差异的原因可能是因为在不同产氢微生物中不同价态的铁起到的作用不同。
另外，研究这对一些可以促进发酵产氢的添加剂进行了研究。曹先艳等[28]发现在反应器内添加表面活性剂与偏硅酸钠，能抑制产甲烷菌等耗氢菌的生长，提高产气量。许丽英等[29]将酵母粉添加到B49发酵糖蜜废水中，发现明显地促进了产气。作者推测是酵母粉中含有的烟酸是NADH与NADPH的前体，参与了递氢过程和氧化还原反应。
2.4 反应器类型
不同类型的反应器对微生物稳定生长、物料传质与气体溶解释放等存在重大的影响。以传统厌氧反应器为参照，国内外研究者对反应器进行改进以提高发酵产氢能力，并研究其产氢特性。带搅拌器的CSTR反应器在发酵产氢中应用最多，Lay等[34]利用CSTR发酵淀粉，获得产氢效率为71.4 molH2 ／m3• d。
李建政等 [35]利用CSTR反应器培养发酵产氢微生物，发现细菌在反应器内团聚成小球状，产气效率进一步提高到254.5 molH2 ／m3•d。Chang等[36]进行了UASB反应器发酵蔗糖的研究，细菌能够自固定化成0.43 mm的小球，产氢速度为53.5 mmolH2/g•d，气体中含氢量为44.4%。Zhang[37]利用喷淋床反应器进行葡萄糖发酵产氢，氢气比生长速率达到56.7mmolH2/g•L（普通反应器30.4 mmolH2/g•L），该结果表明喷淋床反应器能够实现高浓度制氢的目的。一般的悬浮制氢系统存在菌液容易被洗出的问题，限制了反应器内微生物浓度进而影响制氢效率。固定化反应器可以为微生物提供载体，提高单位体积的微生物含量，改善制氢效果。目前的制氢系统固定化方法以物理吸附法和包埋法为主，而采用的载体多样化。Chang等[38]用传统的多孔载体丝瓜状海绵（LS）、活性炭（AC）与膨润土（EC）固定城市污水处理厂污泥中的产氢微生物，并将三者在固定床中的处理效果进行了比较。实验结果表明，LS对微生物的富集效果不明显，而填充AC和EC的反应器中微生物含量明显得到改善，产氢效率分别达到了18.8 mmolH2/h•L和58.9 mmolH2/h•L。活性炭载体具有高孔隙率与低水力停留时间的特点，有利于微生物的生长与底物的传质，提高产气效率。Lee等[39]采用活性炭为载体的填充床进行蔗糖发酵，在填充率为90%，水力停留时间仅为0.5 h条件下，获得了产氢效率为330.4 molH2/h•L。这与Wu等[40]对以活性炭载体的反应器研究结果一致。与无机填充料相比，矿化垃圾是一种很好的生物载体，垃圾孔隙率高，离子交换容量大，而且富含多种有益微生物生长的微量元素。曹先艳等[41]将填埋10年的矿化垃圾填入餐厨垃圾厌氧发酵产氢体系中，矿化垃圾丰富了产氢体系的微生物菌群，而且对pH有一定调节缓冲作用，使得餐厨垃圾发酵产氢率提高了59.4%。但是固定化方法中，大量载体填入占据了反应器空间，妨碍了制氢反应器产氢效能的进一步提高。此外，载体对微生物的毒性以及对二氧化碳与氢气扩散的妨碍作用也是固定化反应器的缺点。