1. 引言
氢气作为化石燃料的替代能源，可再生、热能高且燃烧不产生二次污染 [1] 。其中生物制氢以其产生能源同时降解污染物的优点广受关注。
与光合生物制氢相比，厌氧发酵生物制氢不需要光能投入、反应装置形式更为简单、并且可以利用有机废水或固废等来源广泛的基质进行发酵，生产能源的同时还能净化环境 [2] [3] 。
在厌氧生物制氢过程中，反应器的设计和运行模式会对反应器内产氢菌的数量和种类以及微生物与底物之间的传质作用产生显著影响，进而影响产氢系统的稳定性、产氢效果和废水处理能力 [4] [5] 。反应器设计是厌氧发酵产氢的重要研究方向。
在废水处理中，连续流反应器按照微生物聚集形式，可以分为悬浮生长型和附着生长型。附着生长型反应器具有在高负荷下能保持较高的生物量等优点，被广泛用作生物制氢的研究 [6] [7] [8] 。但附着生长型反应器也有一些局限性。首先，反应系统内生物气难以释放，附着在污泥和载体上，导致载体上浮，降低了反应器的产氢效率和反应器的稳定性 [9] [10] 。其次，随着生物膜厚度增加，污泥停留时间较长，一些代时较长的耗氢微生物(如产甲烷菌)能在反应系统中存活下来 [9] [10] [11] ，消耗氢气。另外，附着型工艺需要大量的载体作为填料，提高了制氢成本。与附着生长型反应器相比，悬浮生长型立式连续流搅拌槽式反应器(Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR)是目前应用最为广泛的一种反应设备。由于机械搅拌的作用，反应设备具有很好的传质效率，底物和微生物能很好地进行接触和反应 [12] 。但由于该反应设备属于典型的污泥悬浮生长型工艺，水力停留时间(HRT)和固体停留时间(SRT)相等，反应设备中的生物量受到较大的限制，特别是当HRT较小时，污泥流失问题严重，反应器内生物持有量小，易引起制氢反应系统崩溃 [13] 。
为了在一定程度上弥补VCSTR生物制氢反应器的缺陷，以及指导生物制氢反应器的放大设计，本研究设计了卧式CSTR制氢反应器 [14] 。在总容积相同的条件下，同时启动和运行VCSTR反应器和HCSTR反应器，接种厌氧活性污泥，以赤糖废水为底物，分别对两个系统的产气量和产氢含量、pH、液相末端产物、生物量及废水处理量进行对比研究，旨在量化不同型式反应器的产氢效果和应用条件，为生产性试验设计中反应器型式的选择提供理论依据。
2. 材料与方法
2.1. 试验装置
发酵产氢试验装置如图1所示。CSTR反应器为有机玻璃材质，内设气-液-固三相分离装置,反应器为反应区、沉淀区一体化结构。反应器设有桨式搅拌装置与控速电机相连，搅拌桨末端采用轴封保证反应区的密闭条件。采用将水循环在内壁和外壁之间的方式加热保温, 通过温控仪将反应器内温度控制在35℃。试验进水由恒流蠕动泵泵入。
反应器顶部设有排气孔与水封相连，反应所产生的发酵气体量由导气管导出并用湿式气体流量计计量体积。两个CSTR反应器的总容积均为32 L，VCSTR反应器的有效容积和最佳搅拌速度为14 L、120 rpm [13] 。由于HCSTR反应器结构设计的优越性，反应器的有效容积增加，最佳搅拌速度降低，分别为22 L、50 rpm [14] 。
2.2. 试验用废水与接种污泥
在试验污泥驯化阶段、启动及运行阶段，试验废水采用红糖配制成有机废水，添加N、P等元素保持COD、N、P的质量比在1000~500:5:1左右，以供微生物生长繁殖所需。
试验采用的接种污泥来自于哈尔滨市某生活污水处理厂的二沉池污泥。取回的污泥经过淘洗、过滤后，曝气预处理，培养14 d。每天停止曝气1~2 h进行沉淀，去除上清液，然后添加水并添加碳源及N、
(a) VCSTR reactor 
(b) HCSTR reactor
Figure 1. Biological hydrogen production reactor
图1. 生物制氢反应器示意图
P。然后作为接种污泥在启动时分别置入VCSTR反应器和HCSTR反应器, 其VSS和TSS分别为8.41 g/L和11.54 g/L。
2.3. 分析方法及仪器设备
采用PHS-25型酸度计测量pH和氧化还原电位(ORP)，产气量由LML-1型湿式气体流量计计量。COD、VSS、SS使用国家标准方法 [15] 测定。气体产物及组成采用SC-Ⅱ型气相色谱测定。液相末端发酵产物组分及含量采用GC-122型气相色谱测定。
2.4. 反应器启动与运行
HCSTR和VCSTR均采用连续流运行方式。对进水进行调节，使其pH保持在7~8之间，消除红糖废水常温下酸化pH降低的影响。试验采用低有机负荷启动，启动和稳定期均保持水力停留时间不变(HRT = 6 h)，以提高进水COD的方式提高有机负荷。启动初期有机负荷为12 kgCOD/(m3∙d)左右，两个CSTR发酵反应体系pH值能够迅速下降，达到4.0以下，为避免过度酸化，降低进水COD，调节有机负荷到8 kgCOD/(m3∙d)，此时反应系统的pH值能够稳定在4.2~4.5之间，符合乙醇型发酵最佳pH。VCSTR反应器在运行12 d后，HCSTR反应器在运行13 d后，系统达到相对稳定状态。采用各阶段稳定时期数据的平均值来比较研究VCSTR和HCSTR反应器在有机负荷(OLR)为8、12、16、24、32 kg/(m3∙d)时的产氢量、氢气含量、液相末端产物、生物量以及COD去除率的变化(表1)。
3. 结果与分析
3.1. VCSTR反应器和HCSTR反应器的产氢能力
产氢能力是衡量发酵法生物制氢反应器系统运行效能的重要参数。不同运行阶段下，VCSTR和HCSTR的产气量及氢气含量如图2所示。
从图2可以看出，虽然两个反应器具有不同的形式和产氢速率，但产氢速率的变化规律却是相似的, 在一定范围内均表现为随OLR (8~24 kgCOD/(m3∙d))的升高而升高。
在启动和稳定期，每次OLR改变后的初期，容积负荷的提高对产氢稳定性都产生了一定的影响。这是由于每次系统负荷改变之后初期微生物的细胞酶系统需要适应产氢产酸发酵环境，需要大量的有机物完成自身的繁殖及代谢，直至微生物适宜环境中有机物的浓度。所以，作为代谢产物之一的氢气的产生速率随有机负荷的变大而升高。然而，有机负荷过高的时候(OLR = 32 kgCOD/(m3∙d))，酸性末端产物的不断增加并在系统内积累，导致产氢系统pH值的降低，而pH值的降低对两个系统的产氢微生物的活性造成很大的影响 [16] 。
Table 1. Start-up and operational conditions of VCSTR and HCSTR
表1. 两个生物制氢反应系统启动及运行条件
Figure 2. Gas production and hydrogen production in VCSTR and HCSTR bio hydrogen reactors
图2. VCSTR和HCSTR生物制氢反应器中产气量与氢气含量
HCSTR和VCSTR生物制氢反应器的最佳OLR均为24 kgCOD/(m3∙d)。此时VCSTR反应器的产气量、产氢含量分别为86.1 L/d、47.30%。而HCSTR反应器的产气量、产氢含量分别达到了132.8 L/d、51.24%。HCSTR反应器的产气量和产氢含量在每个运行阶段均高于VCSTR，其原因是HCSTR反应器的有效容积大于VCSTR反应器，并且有更好的三相分离效果。反应器的总容积、HRT和COD不变的条件下，有效容积的增加意味着体系进水量、接种污泥、体系中生物量的增加，导致产氢量的增加。并且，由于耗氢的产甲烷细菌的生长速率较低，产氢细菌如梭菌等生长较快。进水量的增加可以有效去除产甲烷细菌，可以避免pH的极端的降低。因此在OLR = 32 kgCOD/(m3∙d)的时候，相对于VCSTR反应器，冲击负荷对HCSTR反应器的影响更小。
从产氢能力和抗冲击负荷方面，HCSTR具有较好的产氢优势。这为实际废水处理产氢的工程设计中, 反应器类型的选择提供了重要依据。
3.2. VCSTR反应器和HCSTR反应器的液相末端产物的变化
由于混合菌种发酵体系中存在着许多种类不同的菌种，因此导致发酵体系形成多种特征性的末端产物。在废水发酵法生物制氧生产和研究中，根据末端发酵产物组成，常将发酵类型分为三类：乙醇型发酵、丁酸型发酵和丙酸型发酵 [17] [18] 。在这三种发酵类型中，乙醇型发酵类型的稳定性好并且产气量及氢气含量高。本试验中两个CSTR反应体系在稳定期都乙醇和乙酸含量占总液相末端产物含量的比例均在80%以上，形成末端产物主要为乙醇和乙酸的乙醇型发酵体系。
液相末端发酵产物和pH检测结果见图3。从图3可以看出，两个反应器从启动到稳定运行经历了复杂的生态演替过程。VCSTR反应器(图3(a))和HCSTR反应器(图3(b))具有相似的产酸规。启动初期，两
(a) VCSTR
(b) HCSTR
Figure 3. Changes of liquid end products and pH in bio hydrogen production reactor
图3. 生物制氢反应器中液相末端产物和pH的变化
个反应体系中丁酸和丙酸的含量较高。随着pH的回升，丁酸和丙酸含量逐渐降低，乙醇含量逐渐增加。到启动末期，两个反应体系均已经形成乙醇型发酵。两个反应器的最佳OLR为24 kgCOD/(m3∙d)的时候，VCSTR反应器中乙醇和乙酸含量占总液相末端产物含量的比例、pH和总量分别为82.04%、1732 mg/L和4.21，HCSTR反应器分别为87.36%、1528 mg/L和4.34；而当OLR(32 kgCOD/(m3∙d))进一步提高，废水的有机负荷超出了两个反应器的处理能力，导致产乙醇及乙酸含量降低，VCSTR反应器的pH达到3.7，发酵产氢体系面临崩溃，但HCST反应器由于有效容积比较大、进水量达到88 L/d，此时HCST反应器的PH仍可维持为4.0左右，可以避免崩溃。
3.3. VCSTR反应器和HCSTR反应器的生物量变化和COD去除率
乙醇型发酵产氢是由乙醇型发酵微生物代谢有机物产生的，反应器内微生物生物量的多少直接决定了系统产氢速率。
两个反应器同样存在一个选择适应过程，接种入生物制氢反应器的生物量均经历了先降低后升高的过程。两个反应器接种时污泥的生物量均为8.17 gVSS/L，经过启动期由于驯化适应，一些微生物被淘汰，生物量呈现先降低的趋势，乙醇型发酵菌群形成优势菌群后生物量逐渐提高达到稳定。两种反应器在OLR为8、16、24、32 kgCOD/(m3∙d)时的生物量变化和COD去除率见图4。在启动期和稳定期，两个反应器的差别不大。最佳OLR为24 kgCOD/(m3∙d)的时候，VCSTR反应器的生物量和COD去除率分别为12.1 gVSS/L、27.1%；HCSTR反应器的生物量和COD去除率12.7 gVSS/L，24.3%。由此可见，HCSTR反应器的生物量更高，但COD去除率较VCSTR低。由此说明，相对于VCSTR反应器，HCSTR反应器结构能够有效保持足够的生物量，但由于进水量比较大，所以COD去除率比较低，但总处理量和去除量更大。而HCSTR反应器具有较大的废水处理能力和较优的经济效益。
4. 结论
1) HCSTR反应器结构设计的优越性，它具有工业化应用价值。两种类型CSTR反应器的总容积(32 L)相同的条件下，VCSTR反应器的有效容积、搅拌速度和废水处理量为14 L、120 rpm和56 L/d。但HCSTR反应器达到22 L、50 rpm和88 L/d。
2) 虽然两个CSTR反应器型式不同，但产氢速率的变化规律却是相似的。两个生物制氢反应器的最佳OLR为24 kgCOD/(m3∙d)。此时VCSTR反应器的产气量、产氢含量分别为86.1 L/d、47.30%。而HCSTR反应器的产气量、产氢含量分别达到了132.8 L/d、51.24%。说明两个反应器的比产氢速率(HPR)的差别不大，而反应器的总容积、HRT和COD不变的条件下，有效容积的增加意味着处理水量、接种污泥的增加，并且导致产氢量的增加。所以HCSTR反应器具有比较高的产氢能力。
Figure 4. Relationship between biomass and COD removal rate with OLR in VCSTR and HCSTR bio hydrogen production reactors
图4. VCSTR和HCSTR生物制氢反应器中生物量和COD去除率与OLR的关系
3) HCSTR反应器更能够有效保持微生物生物量。在最佳有机负荷(OLR = 24 kgCOD/(m3∙d))时，VCSTR反应器和HCSTR反应器的生物量分别为12.1 gVSS/L、12.7 gVSS/L。HCSTR反应器的生物量更高，有效容积的增加意味着废水处理量的增加，需要更好的三相分离效果。与VCSTR反应器相比，HCSTR 反应器更能够有效保持微生物生物量。
基金项目
省自然科学基金(No. E2016039)，哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室自主课题项目(No. 2012DX04)。