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        有機(jī)廢棄物生物制氫研究

        2017-03-05 23:32:36喻瑋昱長沙麓山國際實(shí)驗(yàn)學(xué)校湖南長沙410000
        化工管理 2017年25期
        關(guān)鍵詞:生物

        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.

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