全 文 ：! 第 " 卷第 # 期
#$$% 年 % 月
生 物 加 工 过 程
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809 #$$%
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高浓度有机质驯化活性污泥对比产氢率的影响
吴薛明，何冰芳!
（南京工业大学! 制药与生命科学学院，江苏省生物工业技术重点实验室，南京 #:$$$;）
摘! 要：利用驯化的活性污泥降解蔗糖制取氢气，设计了间歇浓度梯度驯化方案，驯化后不同来源活性污泥的糖代
谢速率和产氢速率均有显著提高，使初始含糖量为 <= > ?@ 7 A B（实际约 == C7 &DE A F"·G）培养液的比产氢率超过
了含糖 @$ 7 A B的低浓度培养液的比产氢率而无抑制现象。其中啤酒厂厌氧活性污泥、啤酒厂排污处污泥及南京城
市排水沟污泥的蔗糖消耗率均达到 ?%H以上；比产氢率分别达 #I #@、#I "% 和 #I :@ F-1 J# A F-1 蔗糖。揭示了高浓
度有机质的活性污泥间歇浓度梯度驯化过程中糖代谢速率和产氢能力的演变规律，其适用于相当多的驯化活性活
泥降解高浓度有机废液，以提高单位产氢能力。
关键词：生物制氢；活性污泥；间歇驯化；比产氢率
中图分类号：K?:! ! ! ! 文献标识码：L! ! ! ! 文章编号：:=<# M "=!"#$% "$$&’("#’)* )+ ,++’$’,*$- "$#’."#,/ 0&1/2, +)3 %’2% $)*$,*#3"#’)*
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! ! 氢气作为一种理想的可替代传统化石能源的新 型能源物质，具有清洁，无污染的优点，已受到世界
! 收稿日期：#$$%Q$%Q:$
基金项目：;<" 项目资助（#$$"&3<:=$$@），博士点专项基金（#$$@$#;:$$<）
作者简介：吴薛明（:;<;Q），男，江苏人，硕士生，研究方向：应用微生物。
联系人：何冰芳，6QF0(1：Z()720)7’*_ )U.W] *G.] 5)万方数据
! · "#! · 生物加工过程 第 " 卷第 # 期
的公认。制氢方法主要有理化法、水电解法、水煤气
转化法、甲烷裂解法等，这些方法制氢成本高，目前
生物法及理化与生物相结合的方法更备受注
视［$，#］。
#% 世纪 &% 年代开始利用厌氧微生物的产酸发
酵进行氢气生产［"’(］。国外的生物制氢多集中在纯
菌厌氧产氢发酵［)］。其中高效单菌的比产氢率已
达到 #* "+,-. /# 0 ,-. 葡萄糖
［1］。但是纯菌产氢易
染菌、培养条件苛刻，给实际操作和管理带来较大难
度，而活性污泥产氢条件粗旷、易于操作，更具有实
际运用前景。任南琪等人对厌氧活性污泥产氢及纯
菌产氢做过详细的报道［&，2］，厌氧生物处理工艺也
已取得了一些的进展，但相关研究中活性污泥处理
有机物的有机负荷一般在 +% 34 567 0 ,"·8 以下。
当有机废水的处理负荷达到 (( 34 567 0 ,"·8以上
时，产氢速率与比产氢率显著下降［$$］。低浓度或低
密度的生物制氢势必需要大规模的厌氧密闭装置，
若能获取处理高浓度底物，同时具有高产氢能力的
活性污泥，便可大大缩小厌氧装置的规模，提高单位
处理能力，降低工艺成本。
本研究以白糖和淀粉为主要基质，对不同来源
的活性污泥进行驯化，首次报道了活性污泥对高浓
度有 机 质 的 适 应 性 驯 化，初 始 含 糖 量 高 达
&) 9 2+ 4 0 :（实际约 )) 34 567 0 ,"·8）时，仍能通
过驯化达到较高的产氢速率和比产氢率。并定量地
指出了活性污泥的浓度梯度驯化过程中微生物糖代
谢能力及比产氢率演变的规律，可为高效处理高浓
度有机质的活性污泥的驯化提供理论指导。
!" 材料和方法
$* $! 污泥来源及材料
啤酒厂厌氧活性污泥 ;-* $
啤酒厂排污处污泥 ;-* #
南京金川河污泥 ;-* "
南京城市排水沟污泥 ;-* +
$* #! 培养基
大桶驯化培养基（ 4 0 :）：白糖 $(；（;/+）# <6+
%* (；=#/>6+ %* #；玉米浆 $ ,: ；?/ )* % 9 )* (。白
糖为主要含蔗糖的食用粗白糖，其他试剂为市售化
学纯试剂。玉米浆为工业级试剂。
$* "! 分析方法
产氢实验采用间歇实验装置如图 $。
蔗糖含量的测定：分光光度法［$%］。
?/的测定：>/<’"5精密 ?/计。
氢气和二氧化碳的测定：使用 @A4B.CAD)21%;气
相色谱仪，热导池检测器。担体：活性炭，2% 9 $%%
目，柱长 # ,，柱温 2% E，检测室 $(% E，;#载气，载
气流速 "% ,: 0 ,BA。
$* 厌氧发酵瓶；#* 恒温水浴装置；"* 集气瓶；+* 排水瓶
图 $! 间歇式生物制氢装置
FB4* $! $* +! 污泥驯化
$* +* $! 大桶驯化
将污泥置于大桶，每天换糖液（@ 液），将桶置
于阳光下，每 H搅拌 $ ,BA，阳光较弱时盖上盖子置
于实验室，连续驯化 & 8，大桶曝晒驯化目的是去除
污泥采集中带来的霉菌。
$* +* #! 小瓶厌氧驯化
糖液配方见表 $，用前直接配制，无需灭菌。
表 $! 厌氧瓶驯化培养基组成
PJN.C $! QC8BL,
@
.BRLB8
S
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5
.BRLB8
7
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T
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!（5-KA .BRLB8 MDCC?）0（,: 0 :）$ $ $* ( $* ( #
厌氧瓶驯化：将带盖瓶作改造，内置大搅拌子，
取大桶驯化污泥一部分置于 $ : 小瓶内，各种污泥
分别取 # 份置于 # 个小瓶内作平行实验，小瓶发酵
液总体积约 2%% ,:，污泥约占小瓶体积的 $ 0 +，污泥
含量约 +% 9 (% 4 干重 0 :。驯化过程中污泥浓度保
持基本不变。置于 ") E恒温水浴内保温。每天更
新小瓶内的糖液，固定更新体积约 (%% ,:；每隔 ( 8
更换驯化液，顺序是 @、S、5、7，7液后每 $* ( 8更换
万方数据
! "##$ 年 $ 月 吴薛明等：高浓度有机质驯化活性污泥对比产氢率的影响 · %%! ·
& 次糖液，并定时搅拌，以便糖液的均匀混合和有效
利用。
&’ (’ %! 驯化条件设计
本研究参考其他活性污泥驯化法［&"，&%］，采用间
歇浓度梯度驯化法，以便使活性污泥能较好地适应
高浓度有机质，厌氧瓶驯化培养基组成见表 &。
厌氧活性污泥在不同环境条件下的产氢能力有
很大差异，其中 )* 值在细菌厌氧发酵产氢过程中
起着重要的作用［+，,］。本研究小瓶驯化溶液初始
)*值调节到 $’ # - .’ #，发酵后自然产酸，换液 % - $
/后 )* 值下降至 %’ , - (’ #，调节 )* 至 (’ " 左右；
换液 &# - &" /后再次调节 )*至 (’ " 左右。经过两
次 )*的调节发酵液 )*值基本维持在 (’ # 左右，整
个发酵过程 )*低于 $’ #，在此酸性条件下可以有效
抑制甲烷菌的生长，为产氢菌创造较为理想的发酵
与产氢环境［&(］。驯化条件基本按 !（0）1 !（2）1
!（3）4 "## - &###1 $1 & 的比例，逐次加大糖的含
量。
!" 结果与讨论
"’ &! 间歇浓度梯度驯化法对活性污泥的糖代谢速
率及产氢速率的影响
通过间歇的浓度梯度驯化，不同来源的活性污
泥的糖代谢速率和产氢速率均有明显提高，( 种来
源的活性污泥的提高幅度虽不相同，但均呈现相同
的趋势。在各种浓度上升切换的第 & 天，活性污泥
的糖代谢速率和产氢速率基本维持在前一糖浓度水
平，经过 $ 次以上相同浓度的换液驯化，活性污泥能
较快地适应新浓度发酵液，不仅显著加快了糖代谢
速率和产氢速率，同时比产氢率也能达到较高水平。
以啤酒厂厌氧活性污泥 25’ & 的部分驯化数据为
例，阐明间歇的浓度梯度驯化对活性污泥的糖代谢
速率（图 "）和产氢速率的变化规律（图 %）。
从图 " 可见，活性污泥经 6交换液 $# 7 8 9蔗糖
驯化后，%. /内活性污泥对发酵液中蔗糖的降解率
达 :#;；在蔗糖浓度切换到 :# 7 8 9 驯化初期，尽管
出发发酵液的糖浓度显著提高，但活性污泥对蔗糖
的降解速率与前一浓度的降解速率曲线相近（见图
"），同时 <交换液 :# 7 8 9蔗糖驯化第 & 次产气速率
曲线也与前一驯化浓度的曲线相近，表明发酵液浓
度的切换初期，糖代谢及产氢速率并无明显增加。
随着 : 次连续的高浓度驯化，该活性污泥对蔗糖的
降解效率从 ($;左右升到约 :#;（图 "）。驯化后
的产气速率也有大幅度提高（图 %），< 交换液 :# 7 8
9蔗糖驯化第 : 次的产气速率约为该浓度驯化第 &
次产气速率的 " 倍。实验证明合理的驯化可显著提
高活性污泥降解高浓度有机物的能力及产氢能力。
—$—$# 7 8 9；—"—:# 7 8 9=&>/；—*—:# 7 8 9=:>/
图 "! 间歇驯化对蔗糖代谢速度的影响
?@7’ "! 5A DE>C/ ECCF@GE>@5H 5H IJCK5IB GB>ED5F@IG BAA@C@BHCL
—$—$# 7 8 9；—"—:# 7 8 9=&>/；—*—:# 7 8 9=:>/
图 %! 间歇驯化对产气速率的影响
?@7’ %! 5A DE>C/ ECCF@GE>@5H 5H 7EI )K5MJC>@5H KE>B
"’ "! ( 种活性污泥对高浓度基质代谢适应性
驯化浓度由 6液转到 < 液时，混合液中含糖量
达 +. - ,( 7 8 9（实际约 .. N7 0O6 8 G%·M）。驯化
后，( 种活性污泥对高浓度有机负荷呈现了不同程
度的代谢适应性（表 "、图 (），产氢能力（图 $）的提
高幅度也有一定差异。
万方数据
! · "#! · 生物加工过程 第 " 卷第 $ 期
表 $! %液驯化前期与后期四种活性污泥产氢性能参数
&’()* $! +’,’ -. /012-3*4 52-167,8-4 .2-9 .-62 ’7,8:’,*1 ;)613*; 84 848,8’) ;,’3*; ’41 )’,*2 ;,’3*; -. % )8<681 ’77)89’,8-4
污泥类型
!（ ,-,’)）=
9>
气体组分
?$ ! @A$
最大产气速率 =
（9> = >·/）
!（?$）=
9>
"（B672-;*）=
（3 = >）
蔗糖消耗率 =
C
比产氢率 =
（9-) ?$ = 9-) ;672-;*）
D-E FG H $#I JFC #KC $JI " LK$ "IE II HM FE MM
D-E $G H #$I JIC JIC $KI " HFI "$E MJ M" FE H$
D-E "G J "HJ #LC J#C $LI $ #H" FJE "J "L $E #L
D-E #G # #$I #MC J$C $II $ F$$ FME IJ #L FE HK
D-E FD M KKI JIC JIC "JI # #KJ "IE LI M# $E $#
D-E $D FI MLI JIC JIC "KI J #"I "JE $J MM $E "J
D-E "D L #JJ #MC J$C $KI " IKM FME KI ## $E JI
D-E #D M H#I #KC JFC "$I # $M" "$E FI M# $E F#
注：D-E FN#G———污性污泥 %液驯化初期（第一天）；DIE FN#D———污性污泥 %液驯化末期（最后一天）；
比产氢率（9-) ?$ = 9-)蔗糖）O（氢气总体积 = $$E # > = 9-)）=（蔗糖实际消耗量 =蔗糖摩尔质量）
—$—D-E F；—+—D-E $；—"—D-E "；— P—D-E #
图 #! %液驯化对 # 种活性污泥的蔗糖消耗速率的影响
G83E #! B672-;* 7-4;695,8-4 2’,* -. .-62 ’7,8:’,*1 ;)613*; 84 848,8’) ;,’3*;（#’）’41 )’,*2 ;,’3*;（#(）-. % )8<681 ’77)89’,8-4
—$—D-E F；—+—D-E $；—"—D-E "；— P—D-E #
图 J! %液驯化对 # 种活性污泥的产气速率的影响
G83E J! Q’; 52-167,8-4 2’,*; -. .-62 ’7,8:’,*1 ;)613*; 84 848,8’) ;,’3*;（J’）’41 )’,*2 ;,’3*;（J(）-. % )8<681 ’77)89’,8-4
! ! 污泥发酵从 +液转为 % 液初期，酒厂厌氧活性
污泥和酒厂排污处污泥显示了较强的适应能力，糖
消耗率快速增加，总产氢量也有一定提高，但比产氢
率反而有所下降，分别从 + 液驯化后期的 $E FH、
$E "$ 9-) ?$ = 9-)蔗糖下降到 FE MM、FE H$ 9-) ?$ = 9-)
蔗糖。经过 K 次 % 液换液驯化，糖消耗率与总产气
万方数据
! "##$ 年 $ 月 吴薛明等：高浓度有机质驯化活性污泥对比产氢率的影响 · %$! ·
量进一步提高，驯化后比产氢率达到 "& "’，"& %$ ()*
+" , ()*蔗糖的水平，接近甚至超过了 -液驯化后期
的比产氢率。
另两种活性污泥（金川河污泥和城市排水沟污
泥）对高浓度底物的初期适应性较差，在 . 液驯化
初期，糖消耗量并无显著提高，仅消耗掉总糖量的
%/0和 ’/0，造成原料大量过剩，同时比产氢能力
低于 -液驯化时的能力。经过 1 次的驯化，南京城
市排水沟污泥 2)& ’ 的糖消耗量从 34 5 , 6升到了 %"
5 , 6，糖总消耗率从 ’/0 提高到 4’0，产氢量从
"& 3" 6提高到 ’& "4 6。比产氢率从 .液发酵的第一
天的 3& 71 ()* +" , ()* 蔗糖提高到第 1 次的 "& 3’
()* +" , ()*蔗糖（表 "）。表明合理的驯化不仅能较
快适应高浓度的有机废水，显著提高活性污泥的糖
代谢能力，同时也能保持较高的比产氢率。
任南琪等研究者曾提出生物制氢的有机负荷应
控制在 %$ 8 $$ 95 :;- , (%·< 为宜，当负荷大于
%$ 95 :;- , (%·< 之后，比产氢速率随着有机负荷
的增加有缓慢下降的趋势，而当有机负荷大于 $$ 95
:;- , (%·< 时，此下降趋势更加显著［33］。该法可
能是较低浓度驯化污泥后，用于高浓度有机物厌氧
发酵造成的现象。
本研究表明（图 ’=、图 ’>），经过多次的有机质
废液的驯化，活性污泥对糖的消耗率可随着需处理
发酵液有机质浓度的升高而升高，即使在高浓度有
机质水平，糖消耗率平均可达 4$0以上，同时驯化
后产气能力也有大幅度的上升（图 $=、图 $>），并得
到了较高的比产氢率。’ 种活性污泥中仅有一种污
泥（南京金川河污泥 2)& %）经过驯化后仍不能适应
高浓度有机质发酵液，可能是由于不同来源污泥中
原始微生物菌群构成差异所致。同时表明大多数活
性污泥均能通过驯化适应高浓度的有机废水处理，
这种驯化对活性污泥的糖代谢能力与产氢能力的提
高是非常有效的。由此可显著提高活性污泥的单位
处理能力，缩小厌氧装置的规模，降低工艺成本。
!" 结" 论
’ 种活性污泥通过梯度驯化后对基质的利用效
率和产氢能力都有显著提高，’ 种不同来源的污泥
中有 % 种污泥对高浓度有机质发酵液显示了较好的
适应能力，驯化后在高浓度有机负荷下可达到较高
的比产氢率，在含糖量高达 7/ 8 4’ 5 , 6 浓度（实际
约 // 95 :;- , (%·<）时，驯化后的比产氢率分别达
到 "& "’、"& %$ 与 "& 3’ ()* +" , ()*蔗糖。
证明合理的驯化对大多数活性污泥分解基质能
力和产氢能力的提高有很大的促进作用，并能显著
提高污泥的单位处理能力，该梯度驯化法可为获取
高性能活性污泥的驯化提供指导。
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