水處理外文翻譯

1、 氫和甲烷混合產物的兩相厭氧消化 Michael Cooney , Nathan Maynard , Christopher Cannizzaro , John Benemann 摘要 一個厭氧消化過程產生的氫氣和甲烷在兩個連續(xù)的階段，分別地使用2和15 L工作容積的兩種生物反應器。這個相對體積比（更短的保留時間在第二甲烷生產反應堆）被選中在某種程度上以第二甲烷生產反應堆測試相分離可以增強新陳代謝的假設。反應器系統(tǒng)為傳統(tǒng)厭氧污泥消化池，以葡萄糖、酵母膏、蛋白胨為底物，相對較低混合的操作條件下模擬完整的全面運行。兩級總共9個穩(wěn)定狀態(tài)，對底物的濃度、稀釋率、底物碳氮比和融合的程度進行調查。本文就兩

2、級處理的性能和潛在生產清潔可燃燒的氫和甲烷的混合物的實際應用進行了討論。 2006愛思唯爾有限公司保留所有權利。 關鍵詞:生物氫氣,甲烷,厭氧消化,可再生能源;產乙酸菌,產烷生物1. 介紹 生物氫燃料生產是一項具有挑戰(zhàn)性的生物技術領域。光生物學的過程，微藻類和微光合細菌分別從陽光和水或有機基質中任一個產生氫氣，研究了幾十年,但受到許多實際和基本的限制(Benemann, 1997; Levin et al., 2004; Nath and Das,2004)。黑暗細菌的氫發(fā)酵和有機基質也有局限性，主要是相對氫的低收益率獲得直到現(xiàn)在，通常只有10 - 20%,最多30%,襯基底的能量轉化為氫燃料

3、l (Das and Veziroglu, 2001; Van Ginkeland Logan, 2005)。相比之下,獲得商業(yè)乙醇或沼氣發(fā)酵有80 - 90%的收益率(Claassen et al., 1999)。原則上通過代謝工程得到更高的收益率可能是可實現(xiàn)的,(Hallenback and Benemann, 2002; Keasling et al., 1998)但是，到目前為止,沒有已報告的重大改進的收益率。 甲烷發(fā)酵,又稱厭氧消化，主要涉及聯(lián)盟兩種類型的細菌：所謂的引起酸化的細菌分解成主要基質H2,乙酸和CO2,產甲烷菌轉換成乙酸、H2和CO2、甲烷氣體。各種各樣的更高的有機酸，比

4、如丙酸,酪酸和乳酸,以及醇類和酮類，也形成了分解有機底物高度多樣化的種群一般被稱為抑制產酸菌。然而,在良好的操作過程中,然而,在一個良好的操作過程中,這些產品主要是轉化為乙酸、氫氣,反過來,然后轉化為沼氣。這個過程的關鍵是產乙酸細菌產生的H2遷到一個非常低的分壓，典型的在物質的量濃度范圍，由產甲烷菌,從而允許否則熱力學不利的代謝更高的有機酸、醇類乙酸及氫氣(Belaich et al., 1990)。結果共生關系是一個全面的高產的可發(fā)酵底物到甲烷轉化燃料與最多微量氫氣的存在于氣相(Ferris,1993)。事實上,即使是少量的氫(> 0.1%)的氣相顯示一個出了故障的過程中,由于過載、毒

5、性、或其他因素使共生關系失衡,一般隨后停止產甲烷。然而,兩種反應,形成的有機酸和氫氣和甲烷,可至少部分被分離成單獨的生物反應器串聯(lián),第一個，更小的反應器生產有機酸、氫氣和二氧化碳,而第二,還有更大的反應器生產甲烷及二氧化碳。這樣的兩相厭氧消化時提出了優(yōu)化的一種方式生長的每個類型的細菌在分開的反應器,特別是產乙酸菌生長在一個較低的pH值(例如:5 - 6)和短水力停留時間(通常1 - 2天)在第一階段,而較慢生長的產甲烷菌階段,需要一個更中性的pH值,優(yōu)先培養(yǎng)在第二階段中,隨著水力停留時間較長(通常是10 - 20天),( Blonskaja et al., 2003;Demirel and Y

6、enigun, 2002; Pohland and Ghosh, 1971)。然而,如上所述,厭氧消化共生相互作用兩種一般類型的細菌種群,以產甲烷生物為食進行有效的去除,廢品(氫氣及乙酸)的引起酸化的細菌。因此這兩個基本過程分離一般不顯著加快或提高整體產甲烷,盡管它可能有一些優(yōu)勢使過程更加耐沖擊負荷。在早期的工作對兩相厭氧消化,氣體,氫和二氧化碳,產生于第一階段被轉移到第二階段轉換成甲烷,而且,事實上,一些在第一階段測量產氣量的文獻報道。然而,由于新興的興趣和燃料電池氫燃料, 近年來在黑暗的氫氣發(fā)酵已經有大量的研究 (Das and Veziroglu, 2001; Hallenback an

7、d Benemann, 2002; Levin et al., 2004),從本質上講,對應的第一階段兩相厭氧消化工藝等。然而,如前所述,在所有這些研究之后,該整體氫氣收益率低,只有10 - 20%的能量被轉換基質氫燃料與其余轉化為有機酸和其他產品。許多作者提出了利用光合細菌轉換這些氫氣燃料副產物,可以顯示出高產、雖然太陽能轉換效率很低(Miyake,1998),使這種方法不切實際。在第二個生產沼氣反應器已被推薦另外一個方法(Benemann,1998), 最近出現(xiàn)一些努力做這樣的雙重氫氣和甲烷產品(Benemann et al., 2004; Kramer and Bagley, 2004)

8、。然而,如果產氫氣是客觀的,是更直接和似乎有理的甲烷氣體通過正常的厭氧消化,然后把這種燃料氫氣通過傳統(tǒng)的轉化的過程。近期的一個潛在的實際應用兩相厭氧消化是產氫氣和甲烷的混合物。氫氣和甲烷混合物,范圍氫氣為10 - 30%,甲烷為90 - 70%,在一個立方體的基礎上,用已知氮氧化物排放低得多內燃機,這允許使用這樣的燃料地區(qū)是嚴格規(guī)范了氮氧化物的排放量(Bauer and Forest, 2001; Collier et al., 1996)。在這里我們解決氫氣和甲烷混合在兩相厭氧消化工藝,采用一個模擬的高碳水化合物廢水混合所得細菌種群傳統(tǒng)厭氧消化池設計用來模擬在操作條件下的一個一般的過程。2方

9、法2.1 兩級厭氧生物反應器系統(tǒng)兩級厭氧生物反應器系統(tǒng)(圖1),包括一個4.7升的樹脂缸覆蓋(DS5300-9609, Nalgene, Rochester, NY)第一(“hydrogen-production,”)反應器和一個18.8升的樹脂缸覆蓋(DS5300-9212, Nalgene)第二(" methane-production”)反應器。工作容積分別為2.0和15.0 L。所有連接是用聚四氟乙烯管(890 FEP, Nalgene)和不銹鋼尼龍壓縮配件(Swagelok Co., Solon, Ohio)。反應器入侵檢測系統(tǒng)蓋子的壓縮攻擊O型密封圈使用兩種鋼板放置上方和

10、下方反應器和螺栓在發(fā)生在四個角。組合反應器進行煤氣泄漏獨立引入氮氣通過氣體噴射口和排氣管放置在量筒底45.0厘米充滿水(對應于一個壓頭大約0.05 bar或0.67 psi)。停止后氣體氮流量水平排管浮水保持至少一個小時不變,表示沒有明顯的氣體泄漏。反應器混合被放置在每個反應器磁攪拌對(PC-310, Corning Inc., Corning, NY)和攪拌1.5英寸。當產氫產甲烷反應器各自獨立運行(non-integrated operation), 污水來自每個反應器蠕動泵分離廢棄的瓶子。當操作一個兩相的過程(“一體化運作”), 污水從第一個反應器被泵注入了第二個反應器。在這兩種情況下,

11、蠕動泵是通過反應器的管安置的表面下的反應器液體,避免了這兩個之間的交換氣體反應器、泡沫分離和相關的有關系的工件。液體高度,從而在兩個反應器反應器容量,因此控制電導率傳感器的在液體達到頂端的傳感器啟動一個蠕動泵,。在這些試驗中,在第一(生產氫氣)反應器電導率傳感器集保持高度的工作容積2.0 L而第二(生產甲烷)反應器的高度調整到15.0 L的工作量。飼料媒介在一個聚乙烯水槽容量的114.0 L,保持在5與內在鋁線圈換熱器(EX11, Aquatic Eco-systems Inc., Apopka, FL)連接到外部,設定的控制cryostat(Ultratemp,2000,Julabo Lab

12、ortecknic、德國)和混合磁攪拌棒。在兩個反應器混合是故意低能更好地反映條件的工業(yè)規(guī)模系統(tǒng), 在實驗生物反應器通常應用高混合率是不能接受的。飼料套管日?；蛎?天根據(jù)需要被替換。氮氣是不斷通過介質殼有助于維持厭氧環(huán)境。飼料媒介通過蠕動泵由反應器被送到聚四氟乙烯管(101U/R, WatsonMar-low Ltd., Cornwall, England)。泵的校對和飼料是利率定期驗證。在兩個反應器溫度和pH被限制在一個MicroDCU單元(B. Braun Biotech Inc., Allentown,PA),不斷記錄通過RS232串聯(lián)接口連接到外部戴爾電腦(Dell,Texas USA

13、)。溫度是原位測量使用PT - 100進行了探查和pH與整體探頭(Mettler Toledo, Greifensee, Switzerland)維持在35±0.1在兩個反應器采用200 W 和450 W發(fā)熱管(McMaster-Carr, Los Angeles, CA) 分別在第一和第二反應器。在第一個反應器pH值控制在5.5，在第二個反應器通過自動化添加氫氧化鈉到7.0?；氐臐舛葹?.0M,但是在這個實驗中使用大量的飼料的濃度被增加到4.0和6.0M?？倝A的消耗的計算記錄“準時”的基礎和基地消耗率泵根據(jù)最小平方回歸的數(shù)據(jù)根據(jù)時間在60分鐘的間隔。在數(shù)據(jù)計算了1或2分鐘間隔和使

14、用實驗室的觀點。為每一個穩(wěn)定狀態(tài),利率(gas evolution,base addition)是一個24小時的平均數(shù)據(jù),期間展現(xiàn)出一致性的時候,并沒有顯示出機械或其他干擾(發(fā)泡、堵塞、缺乏混合線路、電力中斷)。穩(wěn)態(tài)假設已達到至少兩個完整的停留時間(即反應器體積)過去了,氣體進化速率(大約二十小時一周期)有同樣的測試值穩(wěn)定超過三天。2.2 媒介,接種劑和啟動標準的媒體用于批量和連續(xù)實驗包括(每升):10.0克葡萄糖,1.5 gK氫氣PO4, 1.67 Na2HPO4, 0.5 NH4Cl, 0.18 MgCl·6 氫氣O,2.0 g酵母提取物、2.0 g為原料,消泡劑 0.02毫升(

15、Sigma)。在一些實驗中這種媒介通過修改或增加飼料葡萄糖濃度的濃度增加一倍,每公升酵母為原料(稱為2N而不是1 N為標準中)所描述的。碳氮比計算公式計算了各媒介合計碳和氮(每升)由葡萄糖、氯化銨為原料、酵母膏。氮和碳的貢獻(每升)從為原料(15.4%N、31.5% C)和酵母膏(18% N和32% C)的貢獻估計合計碳和氮組件 (如氨基酸、酪蛋白等)在每一個按提供的構圖分析制造商。C:N組分摩爾比標準的媒介是7.59。厭氧消化池污泥收集夏威夷污水處理裝置(Hawaii Kai, HI)和儲存在4到5.0毫升的混合污泥被用來接種兩反應器。沒有預處理(例如,加熱幫助選擇孢子形狀厭氧菌)并將其應用

16、, 在相對較短的初期能更好地反映大規(guī)模的過程中細菌的數(shù)量將會主導自選。建立產甲烷培養(yǎng),第二個反應器與第一個各自獨立運行,通過直接輸入標準媒介的流動速率大大增加。一次甲烷體積比例可達50%出水從第一個產氫反應器代替慢慢去習慣第二反應器媒介飼料,最終實現(xiàn)一個完全集成的操作兩相厭氧消化工藝。對批量的培養(yǎng),每一個反應器四分之一廢氣的體積和添加新的標準媒介,在5分鐘的時期。簡述了核反應器和N2氣含氧量高才被封存、液體和氣體相位測量啟動,在連續(xù)培養(yǎng)試驗。2.3 進化速率測量氣體產氣速率從每一個反應器在線使用高精度測量燃氣表建立內部組成的一個壓力傳感器、三向式電磁閥、鎮(zhèn)流器室和電路板。這是與燃氣表校準蠕動泵

17、送到一個精確的氣體的排放量超過一個規(guī)定的時間間隔測量數(shù)字流量計(model 520, Fisher Scientic),給一個線性響應率對比閥門氣體流量。標定后的燃氣表連接了頭部空間的反應器。燃氣計量表的反應不擾亂關于行動的液位控制,確認的準確性和一般氣體流量測量的緊密性氣體生物反應器。從泄漏的第一和第二反應器在44小時期間被發(fā)現(xiàn)只有分別為2.1ml h-1和3.7 ml h-1,不可以影響的結果。6個月期間的重復校準曲線在實驗是穩(wěn)定、可靠和線性高達600.0 ml h-1。完整描述了燃氣表是在別處(Cooney et al., 2006).2.4 氣-液相代謝產物中反應器氣體組成成分的分析測

18、定使用一個安捷倫科技6890氣相色譜分離配備兩個柱切換閥設計的制造商。第一圓柱是一個Q聚合物圓柱(19091P-Q04, Agilent Technologies),分離二氧化碳和高分子量化合物,第二個為分子篩圓柱(19091P-MS8, Agilent Technologies)分離的低分子量氣體(氫氣,O2，N2，甲烷)。校準曲線產生的這五個元件是直線的和可再生的。液相中揮發(fā)性有機酸(VOAs)進行了高效液相色譜分析(1100 series, Agilent Technologies)。分離是按0.1%的硫酸實現(xiàn)流動相的速度在泵0.8ml min-1通過一個Supelcogel C-610

19、H交換柱保持在30注入體積的樣品是10.0。檢測使用一個檢測器完成保持在30和Timberline TL - 105柱加熱器(Timberline Instruments, Boulder, CO)。識別未知的峰保留時間,超過30種化合物被挑選的?；谶@些結果,校準混合了十一個代謝物,通常出現(xiàn)在顯著水平在樣本從兩個生物反應器。2.5 碳質量平衡計算了各反應器碳平衡 (獨立運行的時候)通過對比碳進入反應器(即飼料、酵母提取物、葡萄糖)反對碳離開生物反應器(如下液相、氣相代謝物、生物量、未消耗的蛋白胨，酵母膏)。碳進入反應器的計算公式和葡萄糖估計值為1.27g C L-1為原料,添加在2.0克酵母

20、為原料每公升2.0克(例如,制造商信息和碳含量從你們的胺基酸(s)為原料的組成)。液相色譜中的揮發(fā)性有機酸根據(jù)高效液相色譜測量。碳在溶解的二氧化碳和甲烷的計算公式是亨利的法律的系數(shù)分別為29.76和714.0atm-1mol,分別考慮,以二氧化碳的形式碳酸鹽和碳酸氫鹽(Blanch and Clark, 1997)。碳的生物量離開生物反應器估算通過假設產量系數(shù)為0.2克每克葡萄糖消耗干重、微生物生物量碳成分的50%,認為合理的眾多的生物將來自輸入酵母和為原料提取物。碳離開的形式以未消耗的蛋白胨和酵母膏計算假設只有60%的消滅了這兩種媒介(40%被剩下)。雖然承認這種測試值是基本不可能精確近似,

21、但是這一些碳占的影響,改變這種測試值是下面討論。2.6 統(tǒng)計分析發(fā)酵數(shù)據(jù)表格1、3、4給出了通過用微軟優(yōu)越試算表計算平均測試值和標準偏差在兩到三天之后檢視分離穩(wěn)態(tài)取得了較好的應用效果。在所有情況下,高效液相色譜法(例如,VOAs)和GC(例如,氫氣和甲烷)測量了2天、3天、甚至4天前穩(wěn)態(tài)得出,用這些值作為基線測量的準確性穩(wěn)態(tài)測量(例如, 用任何一個測量的發(fā)展趨勢來衡量他們的測試值是不現(xiàn)實的)。最基本的消耗速度表現(xiàn)為一個單值取線性回歸穿在一個24小時期間(R2值在0.95以上) 是一個例外。某些情況下,頂部空間的氫氣和甲烷值與TCD檢測器檢測出的精度低(如小于1%) ,平均值和標準差是無法得到。

22、統(tǒng)計相關性的比較穩(wěn)定的狀態(tài)在表格1、3號和4號(氫氣 Rxr或甲烷 Rxr)使用的評價Tukey兩兩比較一個家庭的5%的錯誤率(如下95%的置信水平)執(zhí)行通過方差分析的單向函數(shù)統(tǒng)計軟件分析程序MINITAB(SBTI, San Marcos Texas)。3結果和討論3.1 不同稀釋率下開始階段和個別階段的培養(yǎng)反應器的性能在污泥池中兩個反應器被接種 (見方法),然后在2個月內用標準媒體操作稀釋1.02.0 Ld,為的是自動選擇適當?shù)呐囵B(yǎng),第一， 2L產氫的反應器pH值維持在5.5和第二,15 L產甲烷的反應器pH值維持在7.0。經過相當長的時間滯后,通過兩反應器的培養(yǎng)信息,得出氣體組成成分(如

23、35% 氫氣在產氫反應器和54%的甲烷在產甲烷反應器,剩下的大部分氣體是二氧化碳)。結果表明, 通過標準操做的反應器,在pH和稀釋液不變的情況下,對培養(yǎng)細菌的選擇,要么是氫氣的生產要么是甲烷生產。在標準媒介下底物濃度不變時，稀釋率的影響首次被研究在每個反應器各自獨立運行。媒介供給率逐步增加的數(shù)據(jù)和結果在表1中。結果報道產甲烷反應器只不過是在0.27 h-1以上稀釋率因為時間花了這個系統(tǒng)能夠達到穩(wěn)定和穩(wěn)定的操作。兩個反應器相當穩(wěn)定,只有偶爾的故障,如停機時間由于停電,在喂入時減量由于蠕動泵、或溫度波動或混合,當磁攪拌棒都被暫時攪亂。從表1中得出,產氫率增加到5.0 Ld,實現(xiàn)了總氣體進化速率為1

24、39ml h-1,其中的35%是氫氣，剩余的大部分是二氧化碳,只有微量的甲烷。當進給速率增加到6 Ld時,總氣體和產氫拒絕值統(tǒng)計得到穩(wěn)定的國家,除了以下2 Ld (如下,SS1,Tukey兩兩比較的誤差率為5%),大概是由于清除了細菌群體(Van Ginkel和Logan,2005)。盡管葡萄糖被完全消耗,但是從葡萄糖組分計算產氫量所有的稀釋液低于1.0 mol mol-1,由乳酸細菌的控制生產的觀察報告得出, 在每一個穩(wěn)定狀態(tài)下乳酸是主要代謝產物 (表1,氫氣Rxr)。他們的優(yōu)勢和低氫產量是由于使用非熱處理接種劑治療,和低混合在反應器,這兩種乳酸菌青睞,缺乏混合液相面局部壓力增加的氫,既反映

25、了預計在生產放大條件。雖然熱處理將殺死大部分細菌和選擇孢子形成,使實驗產氫量增加,但這只是一種短暫的現(xiàn)象,因為污染物進入與飼料或否則就會快速其控制反應器,特別是當操作在短時間內保留時間1天或者更少。事實上,即使是在這些實驗中飼料槽,雖然冷凍、陳列視覺成長的細菌,大概是乳酸菌,正如媒體喂線,必須清洗和更換大約每2天。在產甲烷的反應器中產甲烷率同樣達到高點在進給率為5.0 Ld重要氣體的進化速率171.74ml h-1和甲烷空間構成38.13%(表1,Tukey兩兩比較，誤差率為5%)。 當進給率增加到6 Ld時，產氣速率下降到一個值,這個值明顯低于SS3和SS4(表1,Tukey兩兩比較的誤差率

26、為5%)。在進給率為4.0和5.0 Ld時葡萄糖量為0.21和0.22產甲烷量最高, 在最高進給率為6.0 Ld葡萄糖量下降到0.03時(表1,Tukey兩兩比較的誤差率為5%)。在較低的進給率下占優(yōu)勢的液相產物是乙酸乙烯和丙酮(1.97和2.0 g L-1)，在更高進給率為6.0 Ld-1下甲酸鹽、酯、乙醇、丁酸接近或超過1.0 g L-1。在產物為甲酸鹽、乙醇、丁酸進給率為6.0 L d-1他們的測試值高于低水平穩(wěn)定狀態(tài)(表1,Tukey兩兩比較,誤差率為5%)。在產物為乙酸的情況下進給率為6.0 L d-1其測試值低于進給率為5.0 L d-1的測試值，在進給率為4.0 L d-1 時不

27、易區(qū)別(表格1,Tukey兩兩比較，誤差率為5%)。在適度水平沒有乳酸。以葡萄糖底物的低甲烷產量可能是由于這些反應器相對較短的保留時間和可能通過使用酵母和為原料的高生物量產量系數(shù)。在一個碳平衡產氫反應器關閉,以平均1%的穩(wěn)定狀態(tài)全(例如,在93%和110%之間),但只有70%的平均穩(wěn)定的全美國產甲烷反應器,留下很大一部份的碳下落不明(表2)。高效液相色譜的色譜圖產甲烷反應器出水沒有透露任何新出現(xiàn)的山峰和失蹤,這可以解釋失蹤的碳。一個可能的來源也能在估計飼料比例為原料和酵母精華,消滅了。如果合格率為原料中的碳和酵母精華,在兩個反應器消耗降低為20%,碳排放的質量平衡所有州的平均穩(wěn)定上升到11%的

28、多余的二氧化碳而產氫反應器反應器為產甲烷減少到20%。雖然合理為指導,碳排放的質量平衡是有限的過程中使用復雜的媒體,因為很難分析復雜的碳源。未來的工作可以用總碳分析儀作為一種工具來跟蹤碳流但這技術帶來了一點洞察代謝流的營養(yǎng)和產品。然而,合理的會計的碳在產氫給了信心反應器進行了測算,提出了在這部作品中,并提出失蹤的碳甲烷反應器是一種重要的觀察,而不是一個神器可憐的測量。3.2 兩相綜合生物反應器操作,稀釋、加入量和C:N比率在一體的、兩相過程中, 從第一產氫反應器出的廢器輸入第二產甲烷反應器中。這些實驗在穩(wěn)態(tài)下測量值在表格3中,以頭空間氣體成分數(shù)據(jù)對整個六個月的運作為兩個反應器。如圖 2a和2 b。幫助適應生產甲烷培養(yǎng)新飼料,最初僅僅一部分從產氫反應器放出的廢氣被采用,剩下的廢氣由標準媒介(穩(wěn)定狀態(tài)SS1和SS2,圖表3)。在那之后,兩反應器的完全一體(穩(wěn)定狀態(tài),SS3 SS4和SS5，在表3)。產氫反應器的最高產量(0.2,0.19和0.22 mmol-1)被發(fā)現(xiàn)在進給率分別為2.0、3.0、5.0 L d-1 頂部空間組成氫氣的范圍在30.7%和37.7%之間,其余的大部分是二氧化碳)。統(tǒng)計學顯著性較低的利率被發(fā)現(xiàn)進給率為4.0和6.0 L d-1 (表3、Tukey的兩兩比較，誤差率為5%)雖然頂部空間組成氫氣為37%等價于其它穩(wěn)定狀態(tài),其余是二氧化碳)。在進給率為 5 L