全 文 ：利用餐厨垃圾循环半连续厌氧发酵产氢研究
杨占春，陈晓晔，朱建良!
（南京工业大学 制药与生命科学学院，南京 !"###$）
摘 要：利用餐厨垃圾采用半连续厌氧发酵进行产氢的研究。实验结果表明以高温（"## %）预处理 "& ’() 的厌氧
活性污泥为种泥，在温度 *+ %，,- . /# 左右，较宽的稀释率（" /# 0 1 /# 2 3 "）范围内，均能较好的实现厌氧发酵产氢。
在稀释率 ! 4 ! /1 2 3 "下，流出液中乙醇、乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的质量分数分别为 & /.5、!$ /.5、& /15、&6 /&5和
# /$5，产氢过程属于典型的丁酸型发酵，最终氢气的体积分数可达 .#5，氢气的产生速率为 & /1$ ’* 7（’*·2）。将厌
氧发酵液相产物作为稀释液返回到反应器中，反应器的产氢能力大幅度的提高，当回流比 " 4 # /6 时，最大产氢速
率可达 "# /$ ’* 7（’*·2），最终氢气的含量可达 .&5，厌氧发酵反应器的产氢能力提高了约 "*#5。
关键词：厌氧活性污泥；餐厨垃圾；制氢；回流比
中图分类号：8+#& 文献标识码：9 文章编号：".+! 3 *.+6（!##&）#1 3 ##.! 3 #1
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随着化石能源储量日益减少，面临着枯竭的危险
的同时，化石能源的使用带来的环境污染问题严重威
胁着人类的健康和生存，因此开发清洁新能源成为全
球关注的新热点之一。氢气具有清洁无污染、能量密
度高等特点，被认为是二十一世纪最具应用价值的可
再生能源之一［"］。目前制取氢气的主要途径有生物
法制氢和物理化学法制氢。与物理化学法制氢相比
较，生物制氢具有能耗低、可再生等优势。生物制氢
! 收稿日期：!##&@"#@!#
基金项目：国家“$+*”计划项目（!##*C^+".###）资助
作者简介：杨占春（"$6"@），男，硕士，研究方向：资源再生生物技术。
联系人：朱建良，男，教授，研究方向：生物化工。D@’?(J：QJ _>B‘ ".* X AE’
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·.!·
生 物 加 工 过 程
C>()GSG IEBP)?J EL ^(E,PEAGSS D)K()GGP()K
第 * 卷第 1 期
!##& 年 "" 月
万方数据
包括微生物厌氧光合制氢和厌氧发酵制氢，与厌氧光
合制氢相比，厌氧发酵制氢可利用有机物范围广、工
艺简单、易于操作等优点，更具有发展潜力［! " #］。任
南琪等人针对活性污泥处理有机废水产氢进行了比
较深入的研究，还开发了高效反应器［$］。
餐饮经营与居民生活的餐厨垃圾具有含水率高
（%&’ " (&’）、有机物含量高和营养丰富全面的特
点。随着生活质量的提高，餐厨垃圾占生活垃圾的
比例越来越大，数据表明仅北京一天的餐厨垃圾就
达 ) *&& +［,］，餐厨垃圾厌氧发酵生产甲烷的技术已
得到人们的广泛重视，同时人们逐渐认识到利用餐
厨垃圾制氢具有很好的开发和应用潜力［*］。国外文
献报道 -./0122 34/等人利用餐厨垃圾制氢，产氢速
率达到 , 5#$ 6# 7（6#·8）。本文进行了厌氧发酵制备
氢气的研究，并对厌氧发酵反应器加以了改进，开发
出适合活性污泥利用餐厨垃圾制氢的厌氧发酵反应
器，尚未见到国内有相同的报道。
! 材料和方法
) 5) 接种厌氧活性污泥处理
取自校区河道污泥。在 )&& 9 下高温处理
), 6:/，将厌氧活性污泥内菌群灭活，保留具有芽孢
的厌氧微生物。厌氧活性污泥的性质如下：;3：
% 5,；碱度：) !&& 6< 7 =（以 >4>?#计）；挥发性脂肪酸：
, ,&& 6< 7 =。
) 5! 厌氧发酵底物
取自附近饭店的餐厨垃圾，主要成分为米饭。
表 ) 大米的主要成分及碳氢比、氮氢比（质量分数）
@4AB2 ) >C6;CD:+:C/ CE F4GAC/，HI8GC<2/，4/8 /:+GC<2/ FC/+2/+ CE G:F2
?G<4/:FD
!（>4GAC/）7
’
!（3I8GC<2/）7
’
!（J:+GC<2/）7
’
>4GAC/ +C HI8GC<2/ G4+:C J:+GC<2/ +C HI8GC<2/ +4+:C
K:F2 *! 5&L（ M , 5!） * 5LL（ M # 5!!） ) 5(*（ M & 5!!） ( 5&! & 5!L
) 5# 实验装置
由图 ) 可见：自行设计的厌氧发酵反应器的有
效容积为 $&& 6=（! L& 66 N )!& 66）。蓄水池中的
稀释液通过蠕动泵连续加入到厌氧发酵反应器中。
反应器底部装填规格为!) 5, 66 N # 66，高 L 66的
瓷环。滤液通过滤液口收集，气体以排水法收集。
) 5 蓄水池；! 5 蠕动泵；# 5 厌氧反应器；$ 5 储气罐；, 5 储液罐
图 ) 厌氧发酵制氢流程图
O:< 5) OBCP 8:44/42GCA:F E2G62/+4+:C/
) 5$ 实验步骤
将预处理过的污泥（)&’，体积分数）与底物
（!&& <）充分搅拌后加入到厌氧发酵反应器中，注入
自来水将反应器中的空气排出。处理约 * H 后，当
反应器中有明显气泡出现时，打开蠕动泵将稀释液
以一定的流量输送到反应器中并将反应器的滤液口
打开，使反应器中的液面高度保持在一定高度，反应
器由循环水浴保持恒温。
) 5, 分析方法
气相组分由 Q<:B2/+ *L(&J R>气相色谱仪测定，
使用热导检测器（@>S）；! # 66 N & 5, 66 长 ! 6 不
锈钢柱，填料为 ;CG4;4T U L& " )&& 目；气化温度
L& 9，柱温 (& 9，检测器温度 )L& 9；高纯 32 为载
气，流量为 ), 6= 7 6:/。通过外标法定量分析气体中
各组分的含量。
液相组分由 Q<:B2/+ *L(&J R>气相色谱仪测定，
使用氢火焰离子检测器（OVS），! & 5#! 66长 #& 6毛
细管柱，固定相为 -W0#&，气化温度 !,& 9，柱温采用
程序升温，检测器温度 !*& 9，以高纯氮为载气，流
量为 ) 5& 6= 7 6:/，分流比 )& X )。通过外标法定量分
析液相中各组分的含量。
厌氧反应器内发酵液的 ;3 由配备 W0!&)0> 型
;3复合电极的 Y3-0#> 型精密 ;3计测量。
!&&, 年 )) 月 杨占春等：利用餐厨垃圾循环半连续厌氧发酵产氢研究 ·*#·
万方数据
! 结果与讨论
! "# 温度对产氢量的影响
将预处理过的污泥（#$%，体积分数）与底物
（!$$ &）置入 ’$$ ()锥形瓶中进行间歇式厌氧发酵，
由图 ! 可见，在温度 ! * +, -条件下厌氧活性污泥
产氢活性最高，利用餐厨垃圾厌氧发酵最大产氢速
率为 # "./ (+ 0（(+·1）。以下制氢均在 +, -条件下
进行。
—!—!$ -；—"—+, -；—#—2$ -
图 ! 温度对产氢量的影响
34& "! 566789 :6 97(;7<9=<7 :> ?4:@A1<:&7> ;<:1=894:>
! "! ;B对产氢量的影响
在其它条件相同前提下，分别控制 ;B 在 ’ "2 C
2 "2，2 "2 C D "2 和 D "2 C , "2 进行间歇式厌氧发酵。
由图 + 可见，当 ;B 稳定在 2 "2 C D "2 时系统的最大
产氢速率为 + "/ (+ 0（(+·1）。这与文献报道产氢最
适 ;B基本一致［,］。因此以后实验控制 ;B 在 D "$
左右。
—!—’ E2 C 2 E2；—#—2 E2 C D E2；—$—D E2 C , E2
图 + ;B对产氢量的影响
34& "+ 566789 :6 ;B :> ?4:@A1<:&7> ;<:1=894:>
! "+ 稀释率 " 对产氢量的影响
在回流比 # * $ 时，以 FGBHI+稀溶液为稀释液
进行半连续式厌氧发酵。由图 ! 可见，厌氧发酵
#! @后，厌氧活性污泥产氢速率均明显变快，说明反
应器中生物持有量增加；厌氧发酵 D$ @ 以后由于底
物消耗殆尽，产氢基本停止。当 " * ! "’ 1 J #时，达
到最大产氢速率 2 "’/ (+ 0（(+·1）。
—!—" * + E/ 1 J #；—"—" * + E$ 1 J #；—#—" * ! E’ 1 J #；
—$—" * # ED 1 J #；—%—" * # E$ 1 J #
图 ’ 稀释率与产氢总量的关系
34& "’ 566789 :6 14K=94:> ?4:@A1<:&7> ;<:1=894:>
! "’ 稀释率对气相产物组成的影响
由表 ! 可见不同稀释率影响厌氧发酵所产气体
中氢气的含量。其中在 " * ! "’ 1 J #时，气相中氢气
的含量可达 D2%。可见，当在 " * ! "’ 1 J #时不仅系
统产氢量最高，而且气相中氢气含量最高，便于分离
纯化。因此，以下实验均采用此稀释率。
表 ! 稀释率对气相中氢气含量的影响
LG?K7 ! 566789 :6 14K=94:> 8:>97>9 :6 @A1<:&7>
4> 9@7 &GM ;<:1=89M
稀释率 0 1 J # # "$ # "D ! "’ + "$ + "/
B!体积分数 ’+% 2+% D$% 2D% ’/%
! "2 发酵末端液相产物稀释回流比对产氢的影响
底物厌氧发酵经历水解产酸产气过程，气相中
B!、HI!浓度达到一定值后，产氢生化反应受到抑制达
到稳定。但液相中仍有大量可利用的有机酸和其他
有机物，实验中将液相发酵产物调节 ;B后作为稀释
液以不同的回流比 # 重新回流到厌氧发酵反应器中
考察其产氢能力的变化。厌氧发酵反应器中的发酵
底物每隔 !’ @进行补料一次，补料量为 #$$ &。
由图 2 可见将厌氧发酵末端产物作为稀释液加
入到反应器中，反应器的产氢能力有了大幅度的提
高。在回流比 # * $ ". 时，厌氧发酵在 #! @ 后基本
达到稳定，最大产氢速率可达 #$ "/ (+ 0（(+·1），氢气
的含量为 D2%，比 # * $ 时提高了约 #+$%，餐厨垃
圾的利用率得到了较大的提高。
·D’· 生物加工过程 第 + 卷第 ’ 期
万方数据
—!— ! ! "；—"— ! ! " "#；—#— ! ! " "$；—$— ! ! % &"
图 ’ 末端液相产物回流比对产氢能力影响
()* +’ ,--./0 1- 2.-345 260)1 1- 3)74)8 .98 :2184/0)19
19 ;)1<=821*.9 :2184/0)19
> +# 厌氧发酵产氢类型分析
表 ? 表明稀释率具有影响系统微生物生长增殖
的特性。当 # ! > +@ 8 A %（ ! ! " +$）时，乙酸、丁酸的
质量分数分别为 ?% +’B和 ’C +%B，占 D(E 总量的
C" +#B，此属于典型的丁酸型发酵。根据以上数据
分析，可以认为本厌氧发酵系统以丁酸型发酵为主。
表 ? 不同回流比流出液 D(E含量变化
F6;3. ? D62)60)19 1- D(E 60 8)--.2.90 ! G634.H
稀释率 I 8 A %
液相末端产物质量分数 I B
乙醇 乙酸 丙酸 丁酸 戊酸
> +@（! ! "） ’ +# >C +# ’ +@ ’$ +’ " +C
> +@（! ! " +#） C +@ ?? +> ? +J ’? +> " +’
> +@（! ! " +$） @ +$ ?% +’ @ +> ’C +% " +@
> +@（! ! % +"） # +J ?" +C ’ +J ’’ +@ % +?
! 结 论
（%）利用餐厨垃圾厌氧发酵制备氢气，数据结果
表明：在半连续发酵时，稀释率 # ! > +@ 8 A %（! ! "），
温度 $ ! ?J K，:L 维持在 # +" 左右时，氢气的最大
产生速率可达 ’ +@C M? I（M?·8），氢气的含量达到
#"B。
（>）将厌氧发酵末端产物作为稀释液返回加入
到反应器中进行连续发酵，反应器的产氢能力约提
高了 %?"B，最大产氢速率可达 %" +C M? I（M?·8），氢
气的含量为 #’B。
本文研究循环式厌氧发酵餐厨垃圾产氢的运行
参数，为扩大规模利用餐厨垃圾产氢的研究提供了
有价值的基础数据。
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-118 Y6H0.［ N］& V90.2960)1963 N142963 1- L=821*.9 ,9.2*=，>""@，>C：
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’#CR’JJ &
（上接第 ’J 页）
聚糖酶活力达到最高，为 ? ’$J +’ S，是 VPFZ 优化条
件下持续诱导 J < 达到的最高酶活的 > +"J 倍，而成
本只有 VPFZ的 % I >"@，乳糖代替 VPFZ诱导基因工程
菌 %">" 表达耐热木聚糖酶具有很大的工业应用潜
力。
参考文献：
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