外源氢气对剩余污泥厌氧酸化和产甲烷的影响
编者按
往期内容中探究了外源H2/CO2对厌氧消化（AD）过程中不同产甲烷（CH4）路径的影响。然而，外源H2（氢分压PH2）在整个AD过程中影响作用（包括酸化/产乙酸和产甲烷过程）还有待进一步研究。因此，本研究通过批次实验详细探讨了外源H2促进CH4产生的途径和机制。结果表明，在每个批次循环开始时注入H2，且在合适PH2（0.33 bar）和摇床转速（RS=200 rpm）下，能够促进产酸（有机物转化）和甲烷产生。
整理 | 魏洪禹
责编 | 郝晓地
文章亮点
1、外源H2能够促进厌氧产酸和CH4生成；
2、适当H2分压是实现促进效果的关键（实验最佳工艺条件为RS=200 rpm，PH2=0.33和0.5 bar）；
3、外源H2应在反应开始时注入AD系统中。
原文信息：Hao X.-D.*, Liu R.-B., van Loosdrecht M. C. M., Cao D.-Q. (2017) Batch influences of exogenous hydrogen on both acidogenesis and methanogenesis of excess sludge. Chemical Engineering Journal, 317, pp544-550, the Netherlands.
1、引言
PH2（H2分压）被认为是影响AD最敏感的因素之一，通常维持在较低水平（<10⁻⁵~10⁻⁴ bar）。其中，H2不仅是酸化/产乙酸过程的代谢产物，也是产甲烷过程的底物。由于挥发性脂肪酸（VFAs）的降解过程通常是内源性的。因此，厌氧酸化/产乙酸过程产生的H2必须在后续阶段被快速消耗，以保持较低PH2水平，从而确保VFAs（特别是丙酸盐和丁酸盐）的持续降解。
当外源H2引入AD系统时，增加的PH2可以增强同型产乙酸细菌的活性，并通过同型产乙酸过程提高CH4的产量。另一方面，增加的PH2也将抑制酸化/产乙酸过程，从而抑制后续过程对VFAs的降解和利用，进而导致降低AD系统的pH值，最终导致AD系统崩溃。理论上，应存在一个合适的PH2范围，使得外源H2的引入既能避免抑制VFAs降解，又可以促进CH4产生。同时，增加的PH2可以刺激同型乙酸细菌的活性，并且及时消耗外源H2以保持较低的PH2。本研究便是基于此理论而开展的。
2、主要实验方法和材料
2.1 批次实验
批次试验可分为不同目的和操作条件的连续4个阶段（表1）。第1阶段是在4种PH2（0.33、0.5、0.73和1.00 bar）和3种RS（100、200和300 rpm）条件下，初步验证了最优加氢和摇床转速的参数组合，如表2所示。
根据预先确定的最佳PH2（0.33和0.5 bar）和RS（200 rpm）组合，进行外源H2对产酸和产甲烷影响的批次试验（14个周期）：前8个周期（第2阶段）是为后续阶段获得稳定且相同的条件，后6个周期分为E1、E2和E1´、E2´组（E1和E1´注入0.33 bar H2；E2和E2´注入0.5 bar H2）。空白试验（E0）则不注入H2。在阶段3（E1和E2）中，H2是在实验批次初始时注入。此外，根据2个5 L发酵罐中不同H2注入时机对促进效果的影响（VFAs变化曲线）（见原文附录Fig. S2），阶段4（E1´和E2´）则是将H2注入调整到每个实验批次中期。
2.2 VFAs变化特征监测
实验在两个发酵罐（V工作=4 L，RS=200 rpm，T=35℃，间歇式运行）中进行。平均产气量为500 mL/d（约65% CH4和35% CO2）。补充底物后，用纯N2冲洗发酵罐中剩余沼气。每小时采样一次沼气和液体样品，以分析CH4和VFAs的含量。
2.3 微生物比活性测定
在第3阶段前后测定产/耗H2微生物和产甲烷细菌的活性。每次试验，从E0、E1和E2中取100 mL污泥转移到小瓶中。分别以1200 mg/L乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐作为底物，以测定比产甲烷活性（SMA）、比丁酸盐消耗率（BCR）和比丙酸盐消耗率（PCR）。H2/CO2（4:1）混合物以1.2 bar注入瓶中，测定比H2消耗速率（HCR）
3、结果与讨论
3.1 PH2和RS的最优组合
在开始批次试验之前，首先确定摇床的最佳RS。虽然较高的RS有助于底物降解和消除传质阻力，但如果RS过高 ，则可能导致细胞裂解，降低微生物的比活性，从而影响AD的效率。实际上，界面传质阻力可以通过降低H2从气相到液相的传质速度来减弱外源H2对降解VFAs的抑制作用。
阶段1中PH2和RS的不同组合下，R1~R3的CH4生成量（mL）如图1所示。
图1 不同PH2和RS条件下CH4产量及RS=200 rpm时沼气中的CH4占比
结果显示，添加H2后，RS的适量提高（100 rpm提高至200 rpm）有助于污泥解絮，并提高系统产甲烷潜力（BMP）。这使得CH4产量几乎增加了一倍。此外，较高的RS会破坏以胞外聚合物（EPS）为支撑的空间结构，使得蛋白酶更容易接近并水解细胞。简而言之，进一步增加RS会破坏微生物之间的关联性，并降低整个系统的SMA。因此，根据实验效果，200 rpm被确定为最佳RS（如图1所示）。
在RS=200 rpm时，PH2=0.33和0.5 bar的CH4产量最高。对应的CH4含量在0.33和0.5 bar下分别比空白高72.3%和73.8%。在PH2为0.73和1 bar时，虽然CH4产量急剧下降，但沼气中CH4含量分别上升至80%和86%，证实了外源H2对沼气净化的可能性。基于此，RS=200 rpm，PH2=0.33和0.5 bar是实验的最佳工作条件组合。
3.2 外源H2对产酸和产甲烷的影响
在阶段1和阶段2的CH4产量如图2所示。在第8批次之前，反应器达到稳定运行状态（CH4产量约80 mL）。
图2 加入H2前后的CH4产量
从第九次循环开始，以PH2=0.33 bar（E1）和0.5 bar（E2）注入外源性H2。E1和E2的CH4产量均增加了约25 mL，并稳定在105 mL左右。实验表明，适当PH2的外源H2确实可以促进CH4的产生，同时减轻对酸化/产乙酸的抑制。
由于在每个批次结束时几乎没有检测到残留的H2或其他H2代谢产物，因此可以证明在E1和E2中，所有外源H2都在与CO2结合生成CH4的过程中被消耗掉。然而，如图2所示，在不同的初始PH2（0.33 bar：100 mL H2；0.5 bar：150 mL H2），CH4产量几乎相同（105 mL）。这表明，CH4产量并没有随着PH2的增加而成比例地增加。
在E1和E2收集的沼气中CH4含量分别增加了6%和9%（如图4）。根据E0，在上游有机物保持不变的情况下，目前厌氧反应器的最大理论产气量应为125 mL（82 mL CH4+43 mL CO2）。换句话说，如果添加H2的作用仅是将CO2转化为CH4，则沼气产量可达125 mL。然而，在实践中，与E0相比，E1和E2的沼气总产量分别增加了17.8%和14.4%。显然，沼气产量的提高可归因于酸化/产乙酸过程中相应的有机物转化为乙酸或CO2/H2，反过来又可以提高沼气产量。
图3 外源H2对微生物比活性的影响
图4 E1和E2的有机物转化效率和沼气产量
实验开始16 h后，注入的H2在E1中被消耗，而E2中的PH2仍保持在较高水平，说明外源H2对E1酸化/产乙酸的影响比E2先结束。因此，产氢微生物（包括酸化细菌和产乙酸细菌）的代谢在E1中迅速恢复。随着酸化细菌和产乙酸细菌活性的恢复，丙酸盐和丁酸盐通过乙酸生产CH4的途径再次发挥作用。最后，E1的沼气产量和CH4产量均有所提高。
然而，E2和E1的情况有些不同。也就是说，与E1相比，外源H2对E2酸化/产乙酸的抑制作用更严重。当初始内源性H2达到0.5 bar时，AD系统将接近失效。同时，更高的PH2（≥0.5 bar）通常会导致更多中间产物的积累。在这种情况下，只有在H2抑制作用消失后才能恢复酸化细菌和产乙酸细菌活性，而降解乙醇、乳酸等VFAs的酸化细菌需要逐步培养。E2中会出现了pH降低的现象（见表1）。即使注入更多的外源H2，E2中的沼气和CH4产量也没有成比例地增加。
E1中沼气和CH4产量的提高是由注入H2促进有机物转化和CO2转化两方面组成的。然而，在E2中，尽管有机物转化也得到了增强，但高PH2终止过程于乳酸或其他VFAs而不是CH4。CO2转化与注入H2成为CH4生成的主要原因。最佳PH2似乎在0.33 bar左右。
3.3 提高有机物转化率的机制
如上所述，批次试验中注入外源H2可以刺激上游有机物转化率。在AD系统中，H2/CO2不仅是酸化/产乙酸的代谢产物，也是产甲烷的活性底物。酸化/产乙酸产生的CO2可以在原位与外源H2结合（向CH4结合），这将与其他形成的有机酸（如氨基酸、脂肪酸）一起刺激CO2生成。
3.4 注入H2时刻对CH4产率的影响
图4所示，在每个实验批次开始时注入外源H2时未观察到0.33 bar外源H2对酸化的负影响。相反，有机物转化率提高。然而，较高的PH2会通过阻碍酸化而产生有害影响。原则上，如果在产酸完成后再注入外源H2，这种负面影响应该完全缓解。在产酸过程中，可溶性高分子化合物在水解过程中形成，并进一步转化为丙酸盐或丁酸盐（VFAs），以及其他副产物。之后，这些高级有机酸很快降解为乙酸（HAc）和与H2相关的CO2。因此，在AD系统中VFAs会出现峰值。
根据产酸完成的时间点，在第4阶段进行了两次新的批试验（E1´和E2´），类似于试验E1和E2。E1´和E2´初始投料量比发酵罐高4倍，会刺激微生物活性，从而使产酸过程中丙酸和丁酸的峰值提前出现。因此，注射H2的时间点改变在E1´和E2´产酸的中途（第48 h）。结果如图5所示。
图5 E1´和E2´的有机转化效率和沼气产量
虽然此时沼气产量没有增加，但CH4产量（E1´=13 mL，E2´=23 mL）和CH4含量（E1´= 77%，E2´= 83%）都增加了。在收集的沼气中显著增加，如图5所示。与E0相比，外源H2对E1´和E2´的总产气量贡献较小，说明外源H2对产酸有负作用。
在注入外源H2之前，已经发生了污泥的正常AD过程，发生了产酸。在这种情况下，外源H2没有机会参与产酸，只能与已有的CO2结合产生甲烷。因此，沼气中CH4含量增加，沼气总产量几乎没有增加。
观察到注入H2的时刻能够影响有机物转化率。在间歇循环开始时注入H2可以促进产酸过程中的有机物转化率。在产酸后注入H2并不能减轻H2对产酸的影响。此外，外源H2的原位结合（或同时消耗）CO2能够地刺激有机物转化为乙酸和CO2的产生，并导致CH4和沼气的产生。
在每个实验批次开始时注入适当的外源H2（PH2=0.33 bar）是最优的工作条件。
4、结论
1）在适当的氢气分压（PH2=0.33 bar）和最佳转速（RS=200 rpm）下，注入外源H2可以显著提高沼气中CH4的产量和含量；
2）应在每个实验批次开始时注入外源H2，以在产酸过程中实现H2（向CH4）原位结合CO2；
3）实验展现利用生物工艺回收含H2废气的潜力，在不同类型的厌氧反应器中，需要进一步确定H2的注入量。
