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Fe和Fe_2_对混合细菌产氢发酵的影响_丁杰

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Fe和Fe2+对混合细菌产氢发酵的影响丁杰1,任南琪1,刘敏1,丁兰2(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,哈尔滨　150090;2.吉林大学化学学院,长春　130023)摘要:在研究Fe粉剂量和Fe2+浓度对混合细菌产氢发酵的影响基础上,确定Fe和Fe2+促进混合细菌产氢能力的最佳阈值,并对乙醇型发酵菌群在不同Fe粉和Fe2+浓度下的产氢量和最大比产氢速率进行考察和对比.结果表明,Fe粉和Fe2+对乙醇型发酵菌群的产氢能力均有明显的促进作用.以葡萄糖为底物,投加Fe2+试验中,Fe2+浓度200mg/L获得最大产氢量143.7mL/g,较对照组提高32%;Fe2+浓度50mg/L获得单位VSS最大比产氢速率21.2mL/(h·g),较对照组提高33%.投加单质Fe试验中,Fe粉剂量1000mg/L获得最大产氢量156.1mL/g,较对照组提高44%;Fe粉剂量500mg/L获得单位VSS最大比产氢速率23.5mL/(h·g),较对照组分别提高47%.单质Fe浓度高于50mg/L时,对发酵菌群产氢的促进作用要优于同浓度下的Fe2+.同时对混合细菌中铁的全量和形态分布进行了考察.

关键词:生物制氢;乙醇型发酵;Fe;Fe2+;产氢能力

中图分类号:X703.1　文献标识码:A　文章编号:0250-3301(2004)04-0048-06

收稿日期:2003-11-18;修订日期:2004-02-12基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)项目(G2000026402),国家高技术研究发展计划(863)项目(2003AA515030)作者简介:丁杰(1972～),女,讲师,博士研究生,主要从事污水生物处理及发酵法生物制氢技术研究.

EffectofFeandFe2+onHydrogenProductionCapacitywithMixedCultureDINGJie1,RENNan-qi1,LIUMin1,DINGLan2(1.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin　150090,China;2.CollegeofChemistry,JilinUniversity,Changchun　130023,China)Abstract:TheeffectsofFeandFe2+concentrationintheexternalenvironmentonhydrogenproductioncapacityofethanol-typefer-mentativemicroorganismflorawereinvestigated.TheoptimumrangeofFeandFe2+concentrationenhancedhydrogenproductionwereobtainedandthecharacteristicoffermentationtypesatdifferentconcentrationofFeandFe2+werediscussed.Itwasdemon-stratedthatbothFeandFe2+wereabletoenhancethehydrogenproductioncapacityofmicroorganismflora.Themaximumhydrogenproductionyieldof143.7mL·g-1glucoseandthemaximumspecifichydrogenproductionrate21.2mL·(h·g)-1wereobtainedatFe2+concentrationof200mg·L-1and50mg·L-1.Themaximumhydrogenproductionyieldof156.1mL·g-1glucoseandthemaxi-mumspecifichydrogenproductionrate23.5mL·(h·g)-1wereobtainedatFeconcentrationof1000mg·L-1and500mg·L-1.Atthe

sameconcentration,theenhancementofFeisbetterthanFe2+whentheconcentrationishigherthan50mg·L-1.Asequentialex-

tractiontechniquewasusedtorepresentarbitrarydivisionsbetweendifferentmetalformsofFe2+inthemixedculture.Keywords:Hydrogenbio-production;ethanol-typefermentation;Fe;Fe2+;hydrogenproductioncapacity

混合细菌对有机物质的产酸发酵过程中,将有机物分解为有机酸(乙酸、丙酸、丁酸等)和乙醇等产物,同时释放出发酵气体(H2和CO2等).因此,利用混和细菌的产酸发酵,并通过调控产酸反应器的运行参数,可以达到集生物制氢和有机废水处理为一体的双重功效.许多学者对利用产酸相反应器进行生物制氢的研究多集中在pH值、温度、水力停留时间(HRT)、氧化还原电位(ORP)、有机负荷、有机底物种类以及微生物特性等方面[1～4],较少研究无机营养元素的作用.笔者等的研究表明,一定浓度的铁、镍、镁等离子的存在,对产氢细菌的生长和产氢能力均有促进作用,但尚未给出其促进产氢能力的最佳阈值[5].以蔗糖为底物,FeCl2浓度为800mg/L和4000mg/L时可以提高混合菌种最大产氢量(131.9mL/g)和单位VSS最大比产氢速率[24mL/(h·g)][6],而关于单质铁对产酸发酵过程的影响尚未见报道.文献[7]发现,对于提高细菌发酵产氢能力,单质Fe的促进作用要优于Fe2+.本文以具有较高产氢能力的产酸相乙醇型发酵菌群为研究对象[8],考察并比较了单质铁和Fe2+离子对其产酸发酵过程的影响,确定促进该混合菌种产氢能力的最佳阈值,以期进一步提高作为生物制氢单元的产酸相的产氢能力,提高有机废物的利用率,同时降低生物制氢成本,为进一步的工程应用奠定基础.

第25卷第4期2004年7月环 境 科 学

ENVIRONMENTALSCIENCEVol.25,No.4

July,2004

DOI:10.13227/j.hjkx.2004.04.0101　实验材料与方法1.1　混合菌种来源混合菌种取自实验室连续运行3个月以上的生物制氢反应器[9],属连续流搅拌槽式反应器

(CSTR),内设气-液-固三相分离装置,有效容积9.2L.反应器操作温度为35℃±1℃,水力停留时间6h.采用人工配水,以废糖蜜为原料配制而成,进水COD为4000～6000mg/L.间歇实验取样时,反应器pH值4.6,氧化还原电位-360mV,VSS15g/L,产气量100L/d,氢气含量40%.液相末端发酵产物中各组分的百分比分别为:乙醇47.6%、乙酸34.5%、丙酸4.6%、丁酸8.9%、戊酸1.6%,为典型的乙醇型发酵类型[8].

1.2　实验装置与方法间歇实验装置如图1所示.实验共分15组,其中1组为对照组(不加任何的铁粉或二价铁离子).另外14组中,分别加入铁粉或氯化亚铁,使铁粉的剂量或铁离子的浓度分别为2、10、50、200、500、1000、1500mg/L.

图1　间歇试验装置Fig.1　Set-upofbatchtests

实验时,各培养瓶中分别加入10mL葡萄糖溶液(50g/L)、分别投加相应的Fe粉和Fe2+溶液,取混合菌种10mL,最后以脱氧的蒸馏水使反应混合液的体积定容为100mL.反应混合液的起始pH值根据发酵生物制氢反应系统的运行状态调节为4.7.整个取泥、装瓶过程均在无氧氮气吹脱下进行,保证无氧条件.将反应瓶放入恒温摇床中,在转速120r/min、温度35℃±1℃下培养.1.3　分析方法液相末端发酵产物分析采用GC-122型气相色谱仪、氢火焰检测器[8];发酵气体的组分分析采用SC-Ⅱ型气相色谱仪、热导池检测器.Fe2+的浓度采用Plasma3000型电感耦合等离子发射光谱仪测定.对于液体样品经过滤后直接测定,混合细菌中Fe2+的含量经微波消解后测定.混合细菌中铁的形态分析采用连续提取法[10],依提取顺序将分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态.2　结果与讨论2.1　Fe和Fe2+对混合细菌产氢发酵动力学参数的影响产氢量Q(单位质量葡萄糖产生氢气量,mL/g)和最大比产氢速率R[单位质量VSS单位时间产生氢气量:mL/(g·h)]分别代表了混合细菌的产氢能力和产氢活性,因此本研究中采用比产氢量和最大比产氢速率2项指标来考察不同浓度Fe和Fe2+对混合细菌产氢发酵过程的影响.Q、R的计算是通过确定Gompertz方程式(1)中的P和Rm2个参数获得.该方程式适用于描述间歇试验中累积产氢过程[11].H(t)=P·exp-expRmeP(λ-t)+1 (1)式中,H(t)为t时间内的累积产氢量,mL;P为产氢能力,mL;Rm为最大产氢速率,mL/h;λ为滞后时间,h.根据最小二乘法原理,通过调整P、Rm、λ3个参数,使实验中获得的t时间内累积产氢量和方程式(1)中计算的理论累积产气氢量之间的方差和最小,从而获得P、Rm、λ的最佳值.产氢量Q等于P除以葡萄糖的消耗量;最大比产氢速率R等于Rm除以细菌干重.计算结果见表1.结果表明,在实验的浓度范围内,投加Fe和Fe2+后,都能不同程度提高产氢量和最大比产氢速率.投加Fe粉剂量在2～1000mg/L和Fe2+浓度在2～200mg/L时,产氢量随着初始投加浓度的增加而增加.当投加Fe2+浓度高于200mg/L时,产氢量随投加Fe2+浓度的增加而有减小趋势.而对于比产氢速率,除Fe2+浓度在1500mg/L时较低外,其余相对于对照组均有明显的提高.同时还可以看出,当浓度低于50mg/L时,相同浓度的Fe2+和Fe对混合菌群氢气产量的促进作用差别不大;而浓度高于50mg/L时,单质Fe对发酵菌群产氢的促进作用要优于Fe2+.

根据生物产氢发酵的途径和机理,产氢主要途径是丙酮酸脱羧产氢和辅酶Ⅰ的氧化与还原平衡调节产氢[12].丙酮酸脱羧产氢又分为梭状芽孢杆菌型

494期环 境 科 学

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二价铁离子对糖蜜酒精废水厌氧发酵的影响

二价铁离子对糖蜜酒精废水厌氧发酵的影响

第4卷 第6期 新 能 源 进 展Vol. 4 No. 62016年12月ADVANCES IN NEW AND RENEWABLE ENERGYDec. 2016* 收稿日期：2016-04-22 修订日期：2016-06-30基金项目：国家科技支撑计划项目（2014BAD02B04）；广东省科技计划项目（2015B020215011） † 通信作者：孙永明，E-mail ：sunym@文章编号：2095-560X （2016）06-0431-05二价铁离子对糖蜜酒精废水厌氧发酵的影响*张 佳1,2,3,4，孙永明1,2,3†，李金平4，孔晓英1,2,3，任守军1,2,3,4，陈晓洁1,2,3,4（1. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2. 中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；3. 广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640；4. 兰州理工大学，西部能源与环境研究中心，兰州 730050）摘 要：为提高糖蜜酒精废水的厌氧发酵效率，实现其资源化再利用，本文研究了添加一定量Fe 2+对糖蜜酒精废水厌氧发酵处理过程的影响。

结果表明：添加Fe 2+后发酵液中SO 42−的去除率由77.12%提高至90.79%；COD 去除率由57.34%提高至81.14%；累积沼气产量由386 mL·g −1 VS 提高至475 mL·g −1 VS ；产气周期由29天缩短为26天；其氧化还原电位（ORP ）升高，pH 值降低。

关键词：二价铁离子；SO 42− 去除率；COD 去除率；产气量中图分类号：TK6 文献标志码：A doi ：10.3969/j.issn.2095-560X.2016.06.002Effect of Fe 2+ on Anaerobic Digestion of Molasses Alcohol WastewaterZHANG Jia 1,2,3,4, SUN Yong-ming 1,2,3, LI Jin-ping 4, KONG Xiao-ying 1,2,3,REN Shou-jun 1,2,3,4, CHEN Xiao-jie 1,2,3,4(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. Key Laboratory of Renewable Energy, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou 510640, China;4. China Western Energy & Environment Research Center, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)Abstract: In order to improve the anaerobic digestion efficiency and realize the recycle of molasses alcohol wastewater, the effects of Fe 2+ on the digestion process were investigated. The results showed that with the addition of Fe 2+, the SO 42− removal rate increased from 77.12% to 90.79%, the COD removal rate increased from 57.34% to 81.14%, the accumulative biogas yield increased from 386 mL·g −1VS to 475 mL·g −1VS, and the biogas production period was shortened from 29 d to 26 d, respectively; in addition, the oxidation-reduction potential (ORP) rose and the pH value decreased. Key words: Fe 2+; SO 42− removal rate; COD removal rate; biogas production0 引 言随着糖蜜酒精工业的发展，副产物糖蜜酒精废水（一种富含SO 42− 和COD 的高浓度有机废水）的处理和利用越来越受到重视。

氧化铁投加方式对餐厨垃圾厌氧消化产气的影响

氧化铁投加方式对餐厨垃圾厌氧消化产气的影响

氧化铁投加方式对餐厨垃圾厌氧消化产气的影响? 氧化铁投加方式对餐厨垃圾厌氧消化产气的影响氧化铁投加方式对餐厨垃圾厌氧消化产气的影响高雪濛周丽丽秦杰徐期勇(北京大学深圳研究生院环境与能源学院聚硅酸盐复合环保材料工程实验室，广东深圳518055) 摘要：氧化铁可以促进产甲烷菌的代谢活动，从而加快厌氧消化体系的产甲烷速率。

通过设计3组反应器，探究了不同的氧化铁添加方式对餐厨垃圾厌氧消化产甲烷的影响：包括空白组A(餐厨垃圾+厌氧污泥)，以及2个实验组B(餐厨垃圾+厌氧污泥，48 h后投加氧化铁)和C(餐厨垃圾+厌氧污泥+氧化铁)。

结果表明：反应器A酸化严重，进入长期产甲烷抑制状态；反应器B可以解除酸抑制，恢复体系产甲烷能力，但需要较长的启动期；反应器C则能较快达到产甲烷阶段。

此外，截止到第54天实验结束，反应器C的累积产甲烷量(48 349 mL)高于B(35 665 mL)。

对于餐厨垃圾厌氧消化，投加氧化铁可解除体系酸抑制，恢复其产甲烷能力。

而在厌氧消化初期加入氧化铁可以更快地解除酸抑制，并促成更高的产甲烷速率。

关键词：餐厨垃圾；厌氧消化；酸抑制；氧化铁；添加方式0 引言随着经济发展和生活水平的提高，城市生活垃圾的产生量逐年增长。

易腐有机物含量高是我国城市生活垃圾的显著特点。

据国家统计局统计，2014年我国城市生活垃圾清运量为17 860万t，一些主要城市的餐厨垃圾占城市生活垃圾总量的60%左右[1]。

其主要处理方式包括填埋、焚烧和直接做动物饲料。

一方面，餐厨垃圾处理存在诸多问题，填埋方法占用短缺的土地资源，又会造成空气和地下水污染；其高水分、低热值的特点也不适合焚烧[2]；而直接做饲料会派生“垃圾猪”、“地沟油”等问题。

另一方面，能源日益短缺，能源价格也不断增长，餐厨垃圾厌氧消化可生成甲烷回收能源，是一种有潜力的处理方式[3,4]。

在实际应用中，餐厨垃圾因其较高的有机物含量，水解酸化可形成大量的挥发性脂肪酸(VFA)，使体系pH下降，造成酸化现象。

Fe 2+对碳钢硫酸盐还原菌腐蚀行为的影响

Fe 2+对碳钢硫酸盐还原菌腐蚀行为的影响


试 样采 用 Ｑ ３ ２ ５钢 ， 主要 化 学 成 分 （ 量 分 其 质
数／ ） Ｃ ０ ２ ， ｉ ． ６ ， ． ６ Ｐ０ ０ ９ Ｓ０ ％ 为 ．６ Ｓ ０ ０ ３ Ｍｎ０ ５ ， ． ０ ， ，
０ ０ １ 余 量 为 铁 。将 Ｑ ３ ．３ ， ２ ５钢 加 工 成 １ ｍ ×１ ０ｍ ０ ｍ × ｍ 的 片状 试 样 ， ｍ ５ｍ 打磨 除锈 除 油 后 焊 接 引 出 铜导 线 ， 环氧 树脂 冷镶 作为 工作 电极 ， 用 工作 电极 的
氢 为直 接 电子供 体 ， 硫 酸 盐 还原 为 硫 化 物 。 由 将 Ｓ Ｂ引起 的铁及பைடு நூலகம்其合 金 的厌氧 微生 物腐蚀 给工 业生 Ｒ
产 造成 很多 问题 ， 涉及 范 围包 括核 电站 ’ ， 石油 工
１ 实 验
１ １ 实 验 材 料 ．
业 ， 洋结构 ， 舶 等 。 海 船
工作 面积 为 １ｍ 。实 验 前 依 次 用 ２ ０ ，０ ６ ０ ｇ ０ ４ ０ ，０ 和 ８ ０ ＳＣ纸 逐级 打磨 ， 面抛 光 处 理 ， ０ ｉ 表 无水 乙醇 除 油， 吹干备 用 。实 验前 将 工 作 电极 和 电解 池 放 入 无
膜 中富 集 ， 细 菌 数 量 显 著 增 加 ， 物 膜 中 的 使 生
汪 崧 李 晓 刚 黄 一 中 杜 翠 薇 ， ， ，
（ ．北 京科 技 大 学 材 料 研 究 院 腐 蚀 与 防 护 中心 ， 京 １０ ８ ； ．牛 津 大 学 材 料 学 院 ， 国牛 津 Ｏ ＩＰ １ 北 ００３ ２ 英 Ｘ ３ Ｈ）
摘 要 ： 比分 析 了 Ｑ ３ 对 ２ ５钢 在 无 Ｆ 的 接 菌 培 养 基 和 Ｆ “ 浓 度 为 ３ ｍ ／ ｅ ｅ ０ ｇ Ｌ的接 菌 培 养 基 中的 腐 蚀 行 为 。使 用 光 学 显 微镜 跟踪 观察 Ｑ ３ ２ ５钢 在 两 种 介 质 中 的表 面 形 貌 随 时 间 的 变化 ， 电化 学 阻 抗 谱 研 究 Ｑ ３ 用 ２ ５钢 在 两 种 培 养 基 中 的 电 化 学 行 为 。用 聚焦 离 子 束显 微 镜 制作 Ｑ ３ ２ ５钢 在 两 种 培 养 基 中 的腐 蚀 产 物 剖 面 ， 用 能 谱 对 腐 蚀 产 物 进 行 成 分 并 分 析 。 对 电 化 学 阻抗 谱所 得 结 果 进 行 拟 合 ， 果 表 明 ， ｅ 会 使 Ｑ ３ 结 Ｆ“ ２５钢 表 面 形 成 的 生 物 膜 电 阻 降 低 ， 电容 升 高 ， Ｑ３ ２ ５钢 反 应 电 阻 保 持 较 低 ， 而使 反 应 持 续 进 行 ， 不 断 溶 解 。培 养 基 中 加 入 ３ ｍｇＬ的 Ｆ “ 后 ， ２５钢 表 面 附 从 铁 ０ ／ ｅ Ｑ３
NiFe-MOF衍生的Fe掺杂Ni基硒化物作为高效的析氧催化剂

NiFe-MOF衍生的Fe掺杂Ni基硒化物作为高效的析氧催化剂

第49卷第22期2021年11月广州化工Guangzhou Chemical IndustryVol.49No.22Nov.2021NiFe-MOF衍生的Fe掺杂Ni基硒化物作为高效的析氧催化剂*王天河，黄亭亭，秦子菁，任威威，蒋庆，唐文强，谢华明，雷英(四川轻化工大学化学工程学院，四川自贡643000)摘要：发展高效、耐用的析氧反应(OER)电催化剂是大规模电解水的关键。

本文以多孔网络结构的NiFe双金属有机骨架(MOFs)为前驱体，通过水热硒化过程，定向转化成纳米团簇结构的NiFe硒化物。

其中，Ni0.67Fe0.33Se在1.0M KOH电解质中显示极低的过电位(297mV)和较小的Tafel斜率(55.0mV/dec),12h测试过程中保持了良好的稳定性。

关键词：析氧反应；金属有机骨架；NiFe硒化物；水热法.中图分类号：0657.3文献标志码：A文章编号：1001-9677(2021)022-0030-04 NiFe-MOF Derived Fe-doped Ni-based Selenides for EfficientOxygen Evolution Catalysts*WANG Tian-he,HUANG Ting-ting,QIN Zi-jing,REN Wei-wei,JIANG Qing,TANG Wen-qiang,XIE Hua-ming,LEI Ying(College of Chemical Engineering,Sichuan University of Science&Engineering,Sichuan Zigong643000,China) Abstract:The development of high efficient and durable electrocatalyst for oxygen evolution reaction(OER)is the key technology for large-scale industrial water splitting.NiFe bimetallic organic frameworks(MOFs)with porous network structure were used as precursors to be directionally transformed into NiFe selenides with nanocluster structure via hydrothermal selenization process.Among them,Ni067Fe033Se exhibited very low overpotential(297mV)and small Tafel slope(55.0mV/dec)in1.0M KOH electrolyte,and maintained good stability during overall12h test.Key words：oxygen evolution reaction；metal organic framework；NiFe selenide;hydrothermal method随着绿色、可持续和可再生能源氢能源越来越受到关注，产氢、储氢以及氢能转化技术等成为研究热点电化学水裂解是一种极有前途的清洁产氢方法，然而析氢过程伴随着的动力学缓慢的析氧反应(OER)却限制了水裂解过程⑵。