喻瑋昱(長沙麓山國際實(shí)驗(yàn)學(xué)校， 湖南 長沙 410000)

有機(jī)廢棄物生物制氫研究

喻瑋昱(長沙麓山國際實(shí)驗(yàn)學(xué)校， 湖南 長沙 410000)

氫氣的燃燒生成水,是目前最理想的清潔能源之一。而暗發(fā)酵生物制氫過程，能利用各種生活污水、糞便和垃圾等為原料產(chǎn)氫，獲得氫氣的同時(shí)凈化了環(huán)境，具有無污染、可再生、成本低等優(yōu)點(diǎn)，受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。本文系統(tǒng)地介紹了發(fā)酵制氫微生物菌群、發(fā)酵工藝、過程放大等現(xiàn)狀，以期為生物能源的發(fā)展提供基礎(chǔ)。

生物制氫；有機(jī)廢棄物；暗發(fā)酵

氫氣是最理想的能源物質(zhì)之一。制氫的方法主要包括太陽能制氫、水電解制氫、重整制氫、生物制氫等。生物制氫主要包括光合制氫和暗發(fā)酵制氫，與前者相比，暗發(fā)酵制氫表現(xiàn)出更多的優(yōu)越性：①發(fā)酵產(chǎn)氫菌產(chǎn)氫能力高，生長速率較高，能利用不同有機(jī)廢棄物產(chǎn)氫；②無需光照，操作及管理簡單方便；③反應(yīng)器容積無限制等[1-4]。本文重點(diǎn)從菌群、發(fā)酵工藝和規(guī)模放大幾個(gè)方面對暗發(fā)酵產(chǎn)氫進(jìn)行介紹。

1 發(fā)酵產(chǎn)氫微生物

產(chǎn)氫微生物主要包括腸桿菌屬、固氮菌屬、克雷伯氏菌屬、醋微菌屬和梭菌屬等，其中研究最多的是梭菌屬、腸桿菌屬等。梭菌分布極為廣泛，能夠產(chǎn)生孢子，對環(huán)境有較強(qiáng)耐受力；梭菌能利用葡萄糖、纖維素等不同底物產(chǎn)氫，氫氣產(chǎn)率可達(dá)1～3mol H2/mol-葡萄糖。腸桿菌生長速度快，可代謝碳源范圍廣，同時(shí)它能消耗氧，恢復(fù)產(chǎn)氫能力。一些極端嗜熱菌有強(qiáng)產(chǎn)氫能力，像高溫厭氧纖維素分解菌的氫氣產(chǎn)率達(dá)5mol H2/ mol-葡萄糖，但溫度高達(dá)70℃，能耗較高[2-3]。

純菌產(chǎn)氫通常需要無菌條件。利用自然環(huán)境中的混合微生物，例如堆肥、污泥等，經(jīng)過熱處理、酸堿處理等預(yù)處理可以實(shí)現(xiàn)混合菌批處理產(chǎn)氫[2]。通過低pH和短水力停留時(shí)間來抑制產(chǎn)甲烷菌，富集產(chǎn)氫菌，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)酵產(chǎn)氫?；旌暇l(fā)酵操作簡單，穩(wěn)定性好，可轉(zhuǎn)化各種有機(jī)廢棄物，更具有實(shí)用性[2-3]。

2 發(fā)酵產(chǎn)氫工藝

2.1 發(fā)酵工藝參數(shù)

影響發(fā)酵產(chǎn)氫的因素很多，包括pH、氫分壓、溫度等。pH是影響發(fā)酵產(chǎn)氫的重要因素，偏酸性pH有利于抑制耗氫菌生長，富集產(chǎn)氫菌，葡萄糖、蔗糖等為原料發(fā)酵產(chǎn)氫時(shí)最優(yōu)pH一般在4～6。溫度提高可提高產(chǎn)氫速率，還將降低液相中氫氣溶解度，減少產(chǎn)物抑制[2-3]。金屬離子影響菌生長，可維持或增強(qiáng)相關(guān)酶活性，如Fe2+參與鐵氧還蛋白合成；Ni2+有利于提高氫酶活性，從而影響產(chǎn)氫。氫的積累將產(chǎn)生產(chǎn)物抑制，向反應(yīng)器充氮或氬氣、降低氫分壓可促進(jìn)產(chǎn)氫。另外，廢水的C/N比，底物類型也有重要影響[2-3]。

2.2 發(fā)酵產(chǎn)氫反應(yīng)器

產(chǎn)氫最常用的反應(yīng)器是攪拌式反應(yīng)器(CSTR)和升流式污泥床(UASB)。上述反應(yīng)器可以結(jié)合固定化技術(shù)，以解決運(yùn)行中產(chǎn)氫微生物的流失問題，固定化技術(shù)有兩種：① 使用載體固定化。聚酯泡沫、粘土等都可作為載體，提高生物量濃度。②污泥的自固定化。通過特殊擋板等反應(yīng)器設(shè)計(jì)，可延長微生物在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間，培養(yǎng)出產(chǎn)氫顆粒污泥，實(shí)現(xiàn)污泥的自固定化，具有獨(dú)特優(yōu)勢[3]。

2.3 兩步發(fā)酵產(chǎn)氫和兩步發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣甲烷系統(tǒng)

發(fā)酵產(chǎn)氫的能量回收率大約只有5%～15%，大部分能量以揮發(fā)酸等形式殘留在發(fā)酵液中，由此提出兩步發(fā)酵產(chǎn)氫：第一步，發(fā)酵細(xì)菌轉(zhuǎn)化有機(jī)物產(chǎn)氫，同時(shí)產(chǎn)生揮發(fā)酸等；第二步，加入光合細(xì)菌，利用揮發(fā)酸等產(chǎn)氫。通過兩步工藝，產(chǎn)氫效率可達(dá)8.3mol H2/mol-葡萄糖，證明“暗發(fā)酵產(chǎn)氫-光合產(chǎn)氫”的耦合可提高產(chǎn)氫，但其能量轉(zhuǎn)化效率仍只有50%，光照需求等也給應(yīng)用帶來了困難[2-3]。

與之相比，“暗發(fā)酵產(chǎn)氫-產(chǎn)甲烷發(fā)酵”聯(lián)產(chǎn)氫氣甲烷系統(tǒng)則可進(jìn)一步提高能量回收，操作簡單，可以改造現(xiàn)有沼氣工程來實(shí)現(xiàn)規(guī)?；痆1,4]。過程關(guān)鍵點(diǎn)是產(chǎn)氫段采用偏酸pH、較短停留時(shí)間，以抑制產(chǎn)甲烷菌，富集產(chǎn)氫微生物；而產(chǎn)甲烷反應(yīng)器采用中性pH、較長停留時(shí)間，以富集生長代謝較慢的產(chǎn)甲烷菌，能量回收可達(dá)70%以上[1,4]。

3 發(fā)酵產(chǎn)氫工程現(xiàn)狀

發(fā)酵產(chǎn)氫尚未獲得工業(yè)化應(yīng)用，大量研究都只達(dá)到中試規(guī)模。我國的任南琪教授提出乙醇型發(fā)酵產(chǎn)氫，以糖蜜廢水為原料，進(jìn)行了乙醇型發(fā)酵產(chǎn)氫過程的中試放大研究，反應(yīng)器規(guī)模達(dá)到100m3，容積產(chǎn)氫達(dá)到5.3m3/m3·d，年產(chǎn)氫氣40萬m3，為暗發(fā)酵產(chǎn)氫的規(guī)?；瘧?yīng)用打下了重要基礎(chǔ)。以食品廢棄物為原料的發(fā)酵產(chǎn)氫也達(dá)到了中試規(guī)模，中試反應(yīng)器為0.15m3中溫厭氧序批式反應(yīng)器，容積產(chǎn)氫達(dá)1.7m3/m3·d。

4 結(jié)語

綜上所述，暗發(fā)酵生物制氫在環(huán)境和能源領(lǐng)域體現(xiàn)了巨大的潛力，該過程不僅可處理工業(yè)有機(jī)廢水，還可處理城市垃圾、農(nóng)業(yè)廢棄物等，原料來源廣泛，同時(shí)操作較簡單、厭氧過程能耗低。尤其是聯(lián)產(chǎn)氫氣甲烷的兩步工藝，可解決單一產(chǎn)氫過程能量回收低的問題，還可較好地與現(xiàn)有沼氣工程相整合得到應(yīng)用。目前，產(chǎn)氫菌群、優(yōu)化控制和規(guī)模放大等仍有待深入研究，以推進(jìn)生物制氫的產(chǎn)業(yè)化，其發(fā)展必將帶來巨大的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

[1]趙玉中,師曉爽,戴萌,等.微氧處理對城鎮(zhèn)生活垃圾兩相發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣甲烷的影響[J].可再生能源,2016,4:621-627.

[2]王園園,張光明,張盼月,等.污泥厭氧發(fā)酵制氫研究進(jìn)展[J].水資源保護(hù),2016,32(4):109-116.

[3]才金玲， 王廣.發(fā)酵生物制氫反應(yīng)器研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2013,36(6):78-84.

[4]李領(lǐng)川,李彥紅,潘春梅,等.稀酸水解玉米秸稈兩步發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2015,12:45-49.