Fe3O4納米顆粒對廢水厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響研究.pdf

1、能源短缺和環(huán)境污染已成為限制經(jīng)濟快速發(fā)展的重要因素，氫氣因其高效、清潔、可再生等優(yōu)點而備受關注。厭氧發(fā)酵生物產(chǎn)氫技術可應用于對高濃度有機廢水、禽畜糞便、剩余污泥、城市生活垃圾和農(nóng)作物秸稈等的處理中，其在對有機廢物進行高效降解的同時可獲得清潔的能源。但系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性以及產(chǎn)氫效率等問題制約了該技術的工業(yè)化發(fā)展。Fe是參與厭氧發(fā)酵細菌產(chǎn)氫過程最重要的元素，通過向厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中投加不同價態(tài)和不同形態(tài)的Fe及其氧化物氫化酶活性從以提高產(chǎn)氫細菌而

2、促進系統(tǒng)的產(chǎn)氫性能已成為該領域的研究熱點。本研究采用向廢水厭氧發(fā)酵體系中投加Fe3O4納米顆粒（Magnetite Nanoparticles,MNPs），考察其對產(chǎn)氫過程的促進效應，并通過關鍵酶活性分析、微生物群落演替、Fe形態(tài)變化和分布規(guī)律等初步闡述MNPs促進厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的作用機理。
　　為確定MNPs在厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過程中發(fā)揮促進作用的最佳粒徑和最佳濃度，靜態(tài)實驗以穩(wěn)定運行的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫反應器中的厭氧污泥為接種物，以葡萄糖為

3、底物，研究了不同粒徑（0-100nm）和投加濃度（0-800mg/L）的MNPs對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響。結果表明，MNPs對萄糖的降解率沒有影響，均為99％以上；發(fā)酵類型有從丁酸型向乙醇型轉(zhuǎn)變的趨勢；系統(tǒng)pH值較空白組有小幅度的提高，最終穩(wěn)定在4.0以上。在MNPs投加粒徑由0-20nm逐漸增加到80-100nm、濃度由0增加到800mg/L的實驗過程中，累計氫氣產(chǎn)量隨之呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢，綜合比較當MNPs在40-60nm粒徑

4、范圍，投加濃度為50mg/L（0.018g/gVSS）時，系統(tǒng)的產(chǎn)氫性能最佳，累計產(chǎn)氫量和比產(chǎn)氫速率分別達到了236mL和31.6mL/h，確定其為最佳粒徑和濃度。
　　通過向連續(xù)流厭氧反應器內(nèi)投加粒徑為40-60nm、濃度為0.018g/gVSS的MNPs，主要研究了MNPs在厭氧發(fā)酵過程中的賦存狀態(tài)、對厭氧產(chǎn)氫細菌的氫化酶、脫氫酶活性以及群落結構和豐度的影響情況。結果表明，MNPs可以向厭氧體系中緩慢釋放Fe2+和Fe3+，最

5、終其濃度分別維持在5.10mg/L和0.20mg/L左右；由于MNPs的存在，系統(tǒng)的發(fā)酵類型由丁酸型發(fā)酵轉(zhuǎn)變到為乙醇型發(fā)酵，體系的pH值由4.5左右升高到了4.7左右；系統(tǒng)的氫氣含量和比產(chǎn)氫速率較空白組分別提高了15%和54.7%。MNPs的添加使得污泥中5種化學形態(tài)Fe的含量都有不同程度的提高，但并沒有改變MNPs的反尖晶石結構。MNPs的存在沒有明顯影響污泥中有機物官能團的種類，只是影響了有機物官能團的含量，反應器內(nèi)溶解性有機物的總

6、量有所增加，類蛋白質(zhì)物質(zhì)的含量明顯提高。
　　投加MNPs使系統(tǒng)內(nèi)的微生物群落豐度以及多樣性均有所提高，微生物群落結構也發(fā)生了明顯的改變，系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)丁酸的梭狀芽胞桿菌屬（Clostridium）的相對豐度由添加MNPs前的40.55%減小到11.45%，而產(chǎn)乙醇的擬桿菌目（Unclassified Bacteroidales）和產(chǎn)乙醇桿菌屬（Ethanoligenens）的相對豐度則分別由13.53%、6.09%提高到了22.79%

7、和12.56%。優(yōu)勢種群由產(chǎn)丁酸的梭狀芽胞桿菌屬（Clostridium）轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)乙醇的擬桿菌目（Unclassified Bacteroidales），從而從理論上說明厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)由丁酸型發(fā)酵轉(zhuǎn)變?yōu)橐掖夹桶l(fā)酵。
　　相比對照組，在反應器內(nèi)添加MNPs后，產(chǎn)氫細菌的氫化酶和脫氫酶活性分別由0.216mL/(gVSS˙min)和13.92ug/(gVSS˙min)提高到了0.301mL/(gVSS˙min)和20.36ug/(g