陳宏，吳軍，陳晨，涂智，禹麗娥，楊恩喆，楊敏，肖本益

（1 長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410114；2 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京100085；3 長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙410004；4 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

不可再生的化石燃料在當(dāng)前人類能源結(jié)構(gòu)中的占比高達(dá)87%，由此導(dǎo)致了臭氧層破壞、全球變暖以及酸雨等嚴(yán)重的環(huán)境問題[1]，所以開發(fā)可持續(xù)且環(huán)境友好的新能源顯得尤為必要。氫氣以其高熱值（熱值約為化石燃料2.75 倍[2?3]）、無污染和可再生的特性，被普遍認(rèn)為是化石燃料的良好替代品[4]；預(yù)計(jì)到2025 年其在能源市場上的占比將達(dá)到8%～10%[5]。目前超過80%的氫氣市場供給采用了化學(xué)制氫法[5]，但是它存在成本高、經(jīng)濟(jì)價值低和可持續(xù)性差的缺點(diǎn)[6]。因此，尋找低能耗和可持續(xù)的制氫技術(shù)迫在眉睫。

厭氧發(fā)酵制氫是指產(chǎn)氫菌在厭氧環(huán)境中利用氫化酶將質(zhì)子（H+）還原成氫氣（H2）的過程[7]。它可以在常溫常壓下進(jìn)行，不需要投入過多能量[8]，具有經(jīng)濟(jì)性好和可持續(xù)的優(yōu)點(diǎn)。此外，由于餐廚垃圾、污泥（包括市政污泥、剩余污泥以及厭氧污泥等）、畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈等種類繁多的有機(jī)廢棄物大量排放，給全球人類帶來了巨大的環(huán)境壓力。利用有機(jī)廢棄物進(jìn)行厭氧發(fā)酵制氫，既能獲得氫氣又可實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物的資源化利用。根據(jù)底物組成類型，可將厭氧發(fā)酵制氫分為單一底物的厭氧單發(fā)酵制氫和兩種及以上不同類型底物的厭氧共發(fā)酵制氫。通常，厭氧單發(fā)酵制氫存在營養(yǎng)元素不均衡及氨氮、硫等毒性抑制和微生物功能菌群結(jié)構(gòu)單一等缺點(diǎn)，無法滿足產(chǎn)氫菌的最佳代謝條件導(dǎo)致氫氣產(chǎn)率下降的問題。然而，厭氧共發(fā)酵制氫通過互補(bǔ)營養(yǎng)元素、降低抑制或毒副作用以及提高微生物多樣性、產(chǎn)氫菌豐度及活性等途徑可以消除上述缺點(diǎn)，進(jìn)而有效提高氫氣產(chǎn)率[9?11]。

利用Web of science 數(shù)據(jù)庫采用文獻(xiàn)計(jì)量法[12]，以“發(fā)酵”和“氫氣”以及“共發(fā)酵”和“氫氣”為主題分別對2000—2019年發(fā)表的論文（圖1）檢索發(fā)現(xiàn)，近十五年來關(guān)于發(fā)酵制氫和共發(fā)酵制氫的研究較多，且呈逐年增加的趨勢；其中共發(fā)酵制氫在發(fā)酵制氫中的占比逐年增加，說明發(fā)酵制氫是目前研究的一個熱點(diǎn)，而共發(fā)酵制氫越來越受到廣泛重視。

圖1 近二十年發(fā)酵制氫文獻(xiàn)年發(fā)表量

盡管目前已經(jīng)存在不少關(guān)于有機(jī)廢棄物厭氧共發(fā)酵制氫的文獻(xiàn)報(bào)道，然而它們大部分局限于使用幾種特定底物作為研究對象，缺乏不同底物厭氧共發(fā)酵制氫的綜合分析與比較，且部分研究結(jié)果仍存在爭議，尚需綜合分析、全面總結(jié)以厘清有機(jī)廢棄物共發(fā)酵制氫工藝特征及其進(jìn)展。因此，本文通過歸納比較不同底物厭氧共發(fā)酵制氫的優(yōu)點(diǎn)和影響因素，綜合分析了其主要工藝參數(shù)與典型系統(tǒng)的運(yùn)行特性，并展望了未來的研究方向，可為有機(jī)廢棄物厭氧共發(fā)酵制氫技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 有機(jī)廢棄物厭氧共發(fā)酵制氫的優(yōu)點(diǎn)

相比于厭氧單發(fā)酵，有機(jī)廢棄物共發(fā)酵具有更高的氫氣產(chǎn)率，這是因?yàn)閰捬豕舶l(fā)酵制氫具有互補(bǔ)營養(yǎng)元素、降低抑制或毒副作用和提高微生物多樣性、產(chǎn)氫菌豐度及其活性等優(yōu)點(diǎn)。

1.1 互補(bǔ)營養(yǎng)元素

碳（C）和氨（N）是產(chǎn)氫菌生長和代謝所必需的大量營養(yǎng)元素，是產(chǎn)氫菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)的重要組成部分。有機(jī)廢棄物中含C量與含N量的比值稱為碳氮比（C/N，質(zhì)量比），通常認(rèn)為其最適宜范圍是12～17[13]。市政污泥的C/N 為4～10[14]，而秸稈類農(nóng)業(yè)廢棄物的C/N往往大于40[15]。由于產(chǎn)氫菌通常不能適宜單一底物的C/N，因此將高C/N 和低C/N 的有機(jī)廢棄物按照一定混合比制成共發(fā)酵底物，可以獲得適宜的C/N從而提高氫氣產(chǎn)率。Yang等[16]利用廢棄花卉（C/N=20.7）和市政污泥（C/N=5.4）按照90∶10（干基，VS）的混合比獲得共發(fā)酵氫氣產(chǎn)率高達(dá)39mL/g VSadded，比廢棄花卉和市政污泥單發(fā)酵分別提高了30%和460%。

另一方面，鈣（Ca）、鎂（Mg）、鎳（Ni）和鐵（Fe）等金屬元素是產(chǎn)氫菌生長和代謝所必需的微量營養(yǎng)元素，它們不僅可以促進(jìn)產(chǎn)氫菌生長、增強(qiáng)產(chǎn)氫酶活性，部分金屬元素甚至還能直接參與產(chǎn)氫過程[17]。一定量的金屬營養(yǎng)元素往往會對發(fā)酵制氫起到重要作用[18?19]，但是由于部分有機(jī)廢棄物（如食品廢棄物、秸稈等）缺少上述金屬元素，在其單發(fā)酵時則需通過額外添加來彌補(bǔ)重要元素不均衡的問題。Gadhe 等[20]發(fā)現(xiàn)在乳制品廢水單發(fā)酵制氫過程中添加50mg/L Fe2O3和10mg/L NiO 可將氫氣產(chǎn)率分別提高24.0%和16.0%，而同時添加則能提高到27.1%。因此，分別將少含和富含金屬營養(yǎng)元素的物質(zhì)（如市政污泥[11]、豬糞糞便[21]等）混合后共發(fā)酵可以有效避免因微量元素缺乏而導(dǎo)致氫氣產(chǎn)率低下的問題。

1.2 降低抑制或毒副作用

不同有機(jī)廢棄物通常含有不同的有毒有害物質(zhì)或其前驅(qū)物質(zhì)（如氮、硫、重金屬以及油脂），分別在厭氧單發(fā)酵制氫時因含有或釋放形成相對較高的濃度而造成抑制或毒副作用，導(dǎo)致氫氣產(chǎn)率降低。因此，將某種有毒有害物質(zhì)含量存在差異的不同有機(jī)廢棄物進(jìn)行厭氧共發(fā)酵制氫，可以有效稀釋其濃度和減輕抑制或毒副作用，提高產(chǎn)氫菌活性和氫氣產(chǎn)率。

氮是微生物的必需元素，然而高含氮有機(jī)廢棄物經(jīng)發(fā)酵產(chǎn)生高濃度氨氮，從而抑制產(chǎn)氫酶的活性并影響氫氣產(chǎn)率[17]。高含氮有機(jī)廢棄物主要有畜禽糞便、食品廢棄物以及市政污泥，其氮含量分別為3～9g/kg、7～8g/kg 和2～9g/kg[22]，容易導(dǎo)致氨氮抑制問題。將高含氮與低含氮有機(jī)廢棄物（農(nóng)作物秸稈等）進(jìn)行厭氧共發(fā)酵，可以有效控制發(fā)酵液的氨氮濃度，獲得較高的氫氣產(chǎn)率。Yang等[11]證明楊樹葉與市政污泥進(jìn)行共發(fā)酵（80∶20，VS）可以有效避免污泥單發(fā)酵造成的氨氮抑制問題。

硫酸鹽在厭氧條件被硫酸鹽還原菌還原成硫化氫（H2S），能穿透產(chǎn)氫菌的細(xì)胞膜，使其胞內(nèi)功能蛋白變性，從而對產(chǎn)氫菌造成嚴(yán)重的毒性抑制[17]。低濃度的溶解態(tài)硫（如50mg S2?/L）可以明顯抑制產(chǎn)氫菌活性，高于100mg S2?/L 可以導(dǎo)致產(chǎn)氫菌完全失活[23]。富含硫的有機(jī)廢棄物包括畜禽糞便[24]和海水淡化廢水及污泥等[25]，若采用厭氧單發(fā)酵制氫可能會出現(xiàn)硫的抑制問題，而與低含硫量有機(jī)廢棄物混合共發(fā)酵則可以有效稀釋硫濃度進(jìn)而提高氫氣產(chǎn)率。

重金屬會限制產(chǎn)氫菌生長代謝過程必需元素和離子的轉(zhuǎn)移，甚至直接破壞細(xì)胞膜，因此形成很強(qiáng)的毒害作用[26]，直接影響到氫氣產(chǎn)率及底物轉(zhuǎn)化率。銅（Cu）、鉻（Cr）和鋅（Zn）對產(chǎn)氫菌的毒性閾值分別為3mg/L、15mg/L 和0[27]。富含重金屬的有機(jī)廢棄物包括市政污泥和畜禽糞便等，其中Cu、Cr 和Zn 的 含 量 分 別 為2.5～741mg/kg、2.8～2855mg/kg 和 1.3～2436mg/kg[28]及 3.6～916mg/kg、0.7～6603mg/kg和11.8～3692mg/kg[29]。通過有機(jī)廢棄物共發(fā)酵可以減輕或避免重金屬抑制作用進(jìn)而提高氫氣產(chǎn)率[30]。

油脂適用于厭氧發(fā)酵制氫，但是由于其水解后形成長鏈脂肪酸并附著于細(xì)胞膜表面，阻礙產(chǎn)氫菌與胞外環(huán)境的正常物質(zhì)交換，進(jìn)而降低了產(chǎn)氫菌活性和氫氣產(chǎn)率[31?32]。富含油脂的食品廢棄物在單發(fā)酵存在較大的油脂抑制風(fēng)險(xiǎn)[33]，而將其與其他類型的有機(jī)物厭氧共發(fā)酵制氫，則可以有效降低油脂抑制的風(fēng)險(xiǎn)。Cheng 等[9]將富含油脂的食品廢棄物與市政污泥混合（3∶1，VS）進(jìn)行厭氧共發(fā)酵，所得氫氣產(chǎn)率分別比各自單發(fā)酵制氫提高了17.00%和875.42%。Abreu 等[34]也發(fā)現(xiàn)單一食品廢棄物發(fā)酵因脂肪含量較高導(dǎo)致氫氣產(chǎn)率降低，而添加園林廢棄物的共發(fā)酵可以明顯提高氫氣產(chǎn)率。

此外，畜禽糞便、污泥（市政污泥、剩余污泥等）中往往含有表面活性劑、雌激素等物質(zhì)，這些物質(zhì)通過阻礙物質(zhì)傳遞、抑制微生物活性等作用對產(chǎn)氫性能造成負(fù)面影響[35]。產(chǎn)氫菌利用可代謝基質(zhì)并獲得能源可有效降解該類有毒物質(zhì)（即共代謝）[36]，劉娜等[37]認(rèn)為投加可代謝基質(zhì)可以有效地提高產(chǎn)酸菌（產(chǎn)氫菌）活性并增加其對印染廢水的酸化能力。因此，共發(fā)酵的其他有機(jī)廢棄物可以為產(chǎn)氫菌提供更多的可代謝基質(zhì)，從而提高糞便、污泥等物質(zhì)的產(chǎn)氫能力。

1.3 提高微生物多樣性、產(chǎn)氫菌豐度及活性

發(fā)酵制氫是多種微生物菌群協(xié)同利用有機(jī)物產(chǎn)氫的過程，而菌群種類數(shù)量過少則不利于有機(jī)物水解及產(chǎn)氫過程，甚至?xí)绊懏a(chǎn)氫菌的活性。農(nóng)作物秸稈富含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，經(jīng)水解后生成單糖，具有很好的產(chǎn)氫潛力[38]，但是往往因?yàn)樗馐钱a(chǎn)氫的限速步驟和氮源缺乏問題導(dǎo)致氫氣產(chǎn)率較低[39]。而畜禽糞便含有來自動物消化道的腸道菌群，能夠促進(jìn)纖維素類水解過程，因此將農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便混合進(jìn)行共發(fā)酵則可以提高氫氣產(chǎn)率[40]。此外，對于部分有機(jī)廢棄物（工業(yè)廢水污泥）中含有的有機(jī)毒物，腸道菌群可與產(chǎn)氫菌具有協(xié)同作用，促進(jìn)有機(jī)毒物的降解并提高產(chǎn)氫菌活性及氫氣產(chǎn)率[41]。

厭氧共發(fā)酵可以有效提高產(chǎn)氫菌的豐度。Yang等[11]發(fā)現(xiàn)市政污泥和落葉厭氧共發(fā)酵制氫系統(tǒng)的產(chǎn)氫菌豐度（70.1%梭狀芽胞桿菌，14.4%腸球菌）比污泥單發(fā)酵（12.5%梭狀芽胞桿菌，3.4%腸球菌）有明顯提高。

另外，有機(jī)廢棄物厭氧共發(fā)酵還可以有效促進(jìn)微生物活性。發(fā)酵制氫系統(tǒng)的微生物活性可用脫氫酶活性來指示[10]。Yang等[10]利用黑麥草和市政污泥厭氧共發(fā)酵制氫發(fā)現(xiàn)污泥單發(fā)酵的脫氫酶活性較低[1.69mg/(g VSS·d)]，而加入黑麥草之后則大幅增加[4.2～12.1mg/(g VSS·d)]。

2 厭氧共發(fā)酵制氫的工藝參數(shù)

有機(jī)廢棄物厭氧共發(fā)酵制氫的主要工藝參數(shù)有底物混合比、有機(jī)負(fù)荷、發(fā)酵溫度、水力停留時間（HRT）、pH 及其他因素（如固液比、攪拌方式和反應(yīng)器類型）。近年來關(guān)于市政污泥與食品廢棄物、纖維素類有機(jī)廢棄物共發(fā)酵工藝研究較多，而畜禽糞便共發(fā)酵相關(guān)文獻(xiàn)則較少，極少有報(bào)道中試規(guī)模及以上的共發(fā)酵制氫，將其歸納總結(jié)后列于表1。

2.1 不同廢棄物混合比

不同廢棄物混合比對共發(fā)酵制氫有重要影響，合適的混合比可以提高共產(chǎn)酵的氫氣產(chǎn)率。富含淀粉的食品廢棄物[9]和纖維素類農(nóng)作物秸稈的有機(jī)廢棄物[42]占主要比例，這是因?yàn)樘妓衔锉戎竞偷鞍踪|(zhì)具有更高的產(chǎn)氫潛力[17,41]。采用污泥和畜禽糞便作為厭氧共發(fā)酵制氫的底物之一時，因N含量較高使得其占比一般低于50%，以10%～30%居多；而另一種底物如纖維素類有機(jī)物或食品廢棄物則通常占比70%～90%和50%～80%。若混合比不合適則不能有效提高甚至出現(xiàn)低于單發(fā)酵的氫氣產(chǎn)率。Cheng 等[9]研究發(fā)現(xiàn)食品廢棄物和市政污泥共發(fā)酵制氫的最佳混合比（3∶1，VS）對應(yīng)最高的氫氣產(chǎn)率（174.6mL/gVS），而在2∶2、1∶3 和0∶4 的混合比例下均低于食品單發(fā)酵氫氣產(chǎn)率（149.3mL/gVS）。

2.2 有機(jī)負(fù)荷

有機(jī)負(fù)荷是影響發(fā)酵制氫的一個關(guān)鍵參數(shù)，不同共發(fā)酵廢棄物的最佳有機(jī)負(fù)荷不同。為了節(jié)約建造與運(yùn)行成本，發(fā)酵制氫通常被設(shè)計(jì)在較高的有機(jī)負(fù)荷條件下；但是過高的有機(jī)負(fù)荷會導(dǎo)致大量產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）進(jìn)而抑制產(chǎn)氫菌活性和氫氣產(chǎn)率降低[49]，因此必須優(yōu)選有機(jī)負(fù)荷參數(shù)。厭氧共發(fā)酵制氫的有機(jī)負(fù)荷通常為10～40g VS/L；但是不同有機(jī)廢棄物底物往往對應(yīng)不同的最佳有機(jī)負(fù)荷。Yang 等[14]通過研究中溫條件下不同有機(jī)負(fù)荷（5g VS/L、10g VS/L、20g VS/L、30g VS/L、40g VS/L、60g VS/L 和80g VS/L）的市政污泥和草渣（3∶7，VS）的厭氧共發(fā)酵制氫性能發(fā)現(xiàn)，在最佳有機(jī)負(fù)荷（10g VS/L） 條件可以得到的氫氣產(chǎn)率為45.6mL H2/g VSadded。Liu 等[43]采用CSTR 反應(yīng)器對高溫條件下不同有機(jī)負(fù)荷（9.1g VS/L/d、19.0g VS/L/d、29.3g VS/L/d 和39.6g VS/L/d）的食品廢棄物和市政污泥（54∶46，VS）進(jìn)行了厭氧共發(fā)酵制氫，得到的最佳有機(jī)負(fù)荷為39.6g VS/(L·d)。

2.3 發(fā)酵溫度

產(chǎn)氫菌對于發(fā)酵溫度較為敏感。不同溫度發(fā)酵系統(tǒng)的微生物群落和優(yōu)勢產(chǎn)氫菌群往往不同[50]。有機(jī)廢棄物厭氧共發(fā)酵制氫多為中溫發(fā)酵，其次為高溫發(fā)酵，常溫和超高溫發(fā)酵則較少，這主要因?yàn)橹袦鼐哂薪?jīng)濟(jì)高效的優(yōu)點(diǎn)[12,51]。然而，厭氧共發(fā)酵制氫的廢棄物組成會影響最佳發(fā)酵溫度。對于富含難降解的物質(zhì)如纖維素等的廢棄物，通常采用高溫發(fā)酵可以加快水解、提高產(chǎn)氫效率[52]；但是對于富含易降解物質(zhì)如淀粉等的廢棄物，采用高溫則會由于降解過快造成VFAs 大量積累而抑制產(chǎn)氫菌活性。Arslan 等[53]通過研究中溫（37℃）和高溫（55℃）條件下剩余污泥與廢米飯（1∶1，TS）厭氧共發(fā)酵制氫，發(fā)現(xiàn)中溫條件的產(chǎn)氫效果更好；而劉頔[54]則發(fā)現(xiàn)玉米秸稈和污水廠剩余污泥（2∶1，TS）的厭氧共發(fā)酵在中溫條件（37℃）下的產(chǎn)氫效率極低（氫氣濃度＜1%），約兩周后產(chǎn)氫終止；而在高溫條件（55℃）下可獲得穩(wěn)定且高效的產(chǎn)氫效率。

表1 有機(jī)廢棄物厭氧共發(fā)酵制氫工藝及運(yùn)行特性

2.4 HRT

合理選擇HRT 有利于維持優(yōu)勢產(chǎn)氫菌群的選擇壓和控制建造運(yùn)行成本。通常，產(chǎn)氫菌的世代時間較短，而耗氫微生物則較長，厭氧共發(fā)酵制氫系統(tǒng)維持較短的HRT有利于淘汰耗氫微生物從而利于氨氣的回收[55]。連續(xù)運(yùn)行的厭氧共發(fā)酵制氫系統(tǒng)一般維持在1.5～3 天的HRT；因?yàn)闀r間過短會影響產(chǎn)氫菌的底物利用，而過長則會導(dǎo)致耗氫微生物生長并增加建造運(yùn)行成本。Nam等[44]發(fā)現(xiàn)HRT對于食品廢棄物和市政污泥（80∶20，VS）厭氧共發(fā)酵系統(tǒng)的氫氣產(chǎn)率有重要影響，在1.5～2 天時氫氣產(chǎn)率會隨HRT 增加而增加（21～62mL/g VSadded）；而增大至3 天時則因耗氫微生物?同型產(chǎn)乙酸 菌（homoacetogenesis） 的 生 長 而 急 劇 下 降（13mL/g VSadded）。

2.5 pH

產(chǎn)氫菌對于pH極為敏感。pH變化可以導(dǎo)致微生物群落和產(chǎn)氫菌代謝途徑的改變以及產(chǎn)氫酶活性的降低[17]。pH 為4.5～6.0 被認(rèn)為是厭氧共發(fā)酵制氫的最佳范圍[55?57]。厭氧共發(fā)酵制氫研究通常將初始pH調(diào)節(jié)到7左右，而對發(fā)酵過程pH不加控制；或者對厭氧共發(fā)酵全過程調(diào)節(jié)pH在5.5左右。這主要是因?yàn)閰捬豕舶l(fā)酵過程產(chǎn)生的VFAs 會導(dǎo)致pH 降低，初始pH 調(diào)節(jié)得過低或過高均會偏離產(chǎn)氫的適宜范圍。受共發(fā)酵底物組成和發(fā)酵溫度等因素影響，最佳的初始pH 不盡相同。Jamil 等[58]通過對不同pH 條件的食品廢棄物和棕櫚油廠廢水污泥（1∶1，體積比，VS）共發(fā)酵制氫研究發(fā)現(xiàn)，初始pH 為4.5 時可獲得最大的氫氣產(chǎn)率（0.26mL/mL混合底物）。而Robledo?Narváez 等[59]則發(fā)現(xiàn)在初始pH 為6.65 時，甘蔗渣、菠蘿皮和市政污泥（70∶15∶15，VS）共發(fā)酵制氫系統(tǒng)具有最高的氫氣產(chǎn)率（3mmol/g 干底物）。

2.6 其他影響因素

當(dāng)前關(guān)于有機(jī)廢棄物共發(fā)酵制氫的研究報(bào)道數(shù)量有限，但是通過對比單發(fā)酵制氫可以推測，固液比、攪拌方式和反應(yīng)器類型等因素對于共發(fā)酵制氫過程也有較大影響。

2.6.1 固液比

不同類型的發(fā)酵底物往往具有不同的適宜固液比（通常用TS 表示）。低固液比會增加運(yùn)行成本，而高固液比會導(dǎo)致共發(fā)酵底物流動性變差，不利于產(chǎn)氫菌與有機(jī)廢棄物的充分混合。產(chǎn)氫菌代謝途徑會因發(fā)酵底物固液比的變化而改變。Motte 等[60]利用麥草發(fā)酵制氫表明，在低固液比（10%～14%）和高固液比（19%～28%）時，產(chǎn)氫菌同時具有乙酸和丁酸代謝途徑，而在超高固液比下（28%～33%）則以丁酸代謝途徑為主。Ghimire等[61]對不同固液比（10% TS、15% TS、20% TS、25% TS 和30%TS）的食品廢棄物進(jìn)行厭氧發(fā)酵制氫研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固液比大于15%時微生物以乳酸代謝途徑為主并造成氫氣產(chǎn)率的急劇降低。

2.6.2 攪拌方式

適宜的攪拌速度有利于提高系統(tǒng)的氫氣產(chǎn)率和運(yùn)行穩(wěn)定性。Chou等[62]通過考察不同攪拌速度對啤酒酒糟厭氧發(fā)酵制氫研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)攪拌速度提升到120r/min 時有利于氫氣產(chǎn)生（13mL/g VS），再增大攪拌速度因發(fā)酵液流態(tài)由層流變?yōu)槲闪鞣炊蠓档蜌錃猱a(chǎn)率并導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

2.6.3 反應(yīng)器類型

反應(yīng)器類型對發(fā)酵液的流態(tài)、三相（固、液、氣）傳質(zhì)過程以及產(chǎn)氫菌種類都具有較大影響[63]。常用于厭氧發(fā)酵的反應(yīng)器有連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器（CSTR）和上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB）[64]。CSTR 可以均勻混合有機(jī)廢棄物和產(chǎn)氫菌；UASB則具有較高的產(chǎn)氫菌豐度，它們往往因不同的底物組成表現(xiàn)出不同的厭氧發(fā)酵性能。Gavala 等[65]比較了葡萄糖在CSTR 和UASB 中的厭氧產(chǎn)氫性能，發(fā)現(xiàn)后者在氫氣產(chǎn)率、發(fā)酵液pH、葡萄糖消耗率以及產(chǎn)氫菌代謝產(chǎn)物等方面表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性，氫氣 產(chǎn) 率 也 更 高[ 分 別 為8.42mmolH2/(h·L) 和19.05mmolH2/(h·L)，HRT=2h]。Jung 等[66]通過咖啡廢水的厭氧發(fā)酵制氫研究發(fā)現(xiàn)，CSTR可以快速啟動厭氧發(fā)酵反應(yīng)，其連續(xù)運(yùn)行7天后的活性污泥（富含產(chǎn)氫菌）顆粒尺寸與UASB連續(xù)運(yùn)行50天的相當(dāng)。

由此可知，不同有機(jī)廢棄物混合比、有機(jī)負(fù)荷、發(fā)酵溫度、HRT、pH 以及固液比、攪拌方式和反應(yīng)器類型是影響有機(jī)廢棄物共發(fā)酵制氫的重要影響因素。其中混合比、有機(jī)負(fù)荷和發(fā)酵溫度常因有機(jī)廢棄物的組成不同而體現(xiàn)差異性。良好的有機(jī)廢棄物共發(fā)酵制氫體系應(yīng)對應(yīng)含有較多的碳水化合物類有機(jī)廢棄物（70%～90%）的底物，有機(jī)負(fù)荷為10～40g VS/L，進(jìn)行高溫（難降解物質(zhì)）和中溫（易降解物質(zhì)），而對應(yīng)HRT不宜過長（0.8～3.0天），初始pH為7.0左右，從而滿足產(chǎn)氫菌生長代謝的最適宜條件，有效提高氫氣產(chǎn)率。

3 厭氧共發(fā)酵制氫系統(tǒng)的運(yùn)行特性

有機(jī)廢棄物厭氧共發(fā)酵制氫系統(tǒng)的運(yùn)行特性主要以氫氣產(chǎn)率和氫氣濃度等氣相指標(biāo)與發(fā)酵液pH、氨氮和揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）及其組成等液相指標(biāo)來表征（表1）。相較于發(fā)酵液pH和氨氮等指標(biāo)不太受重視，厭氧共發(fā)酵制氫系統(tǒng)的氫氣產(chǎn)率、氫氣濃度及VFAs等指標(biāo)得到了較為廣泛的關(guān)注。

3.1 氫氣濃度和氫氣產(chǎn)率

有機(jī)廢棄物厭氧共發(fā)酵制氫的氫氣濃度（體積分?jǐn)?shù)）通常處于50%～60%、氫氣產(chǎn)率為30～180mL/g VS（多為30～60mL/g VS）范圍。它們與有機(jī)廢棄物厭氧共發(fā)酵制氫的工藝參數(shù)密切有關(guān)，如共發(fā)酵底物混合比、發(fā)酵溫度和初始pH 等。富含易水解糖類物質(zhì)（如淀粉）的發(fā)酵底物往往具有較高的氫氣產(chǎn)率和氫氣濃度。宋梓梅[46]將雞糞分別與土豆皮、香蕉皮、廢棄白菜、廢棄油麥菜以及筍葉均按1∶1（VS）混合后進(jìn)行厭氧共發(fā)酵制氫，結(jié)果表明雞糞與土豆皮厭氧共發(fā)酵制氫時的氫氣產(chǎn)率（40.24mL/g VS）和氫氣濃度（37.68%）均為最高值。

3.2 發(fā)酵液pH、揮發(fā)性脂肪酸和氨氮

此外，VFAs 的組成及含量與產(chǎn)氫菌代謝途徑直接相關(guān)，可以間接指示厭氧發(fā)酵制氫的氫氣產(chǎn)率及其運(yùn)行穩(wěn)定性。乙酸和/或丁酸是有機(jī)廢棄物共發(fā)酵制氫系統(tǒng)中的主要VFAs，通常共占比達(dá)50%～95%。較高的乙酸/丁酸占比往往伴隨著更多的氫氣產(chǎn)生，當(dāng)分別為葡萄糖的發(fā)酵代謝產(chǎn)物時，其理論氫氣產(chǎn)率為4mol H2/mol或2mol H2/mol[68]。

由此可知，有機(jī)廢棄物共發(fā)酵系統(tǒng)中氫氣濃度通常為50%～60%、氫氣產(chǎn)率多為30～60mL/g VS，而發(fā)酵液pH、NH4+?N 和VFAs 濃度及其組成等指標(biāo)可以反映發(fā)酵系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。在穩(wěn)定運(yùn)行的發(fā)酵系統(tǒng)中，發(fā)酵液pH 通常為5～6，乙酸/丁酸為最主要的VFAs（50%～90%），而N?N和VFAs濃度會各不相同。

4 功能微生物及其產(chǎn)氫特性

產(chǎn)氫菌的種類及豐度對有機(jī)廢棄物厭氧共發(fā)酵制氫性能起到?jīng)Q定性作用，其種類主要有梭狀芽胞桿菌屬（Clostridium）、 芽孢桿菌屬（Bacillus）、腸桿菌屬（Enterobacter）以及嗜熱厭氧菌屬（Thermoanaerobacterium）等（表2）。產(chǎn)氫菌的來源廣泛，如畜禽糞便、深層土壤、垃圾填埋場、堆肥場以及厭氧污泥等[70]，而厭氧污泥通常被用作共發(fā)酵制氫系統(tǒng)的接種污泥，因其含有大量的高活性產(chǎn)氫菌[71]。然而，耗氫菌與產(chǎn)氫菌往往同時共存于接種物中，前者會快速利用氫氣生成甲烷等其他產(chǎn)物。因此非常有必要在共發(fā)酵制氫體系啟動前期對其接種物進(jìn)行預(yù)處理[71]，誘導(dǎo)部分產(chǎn)氫菌形成孢子保留活性而使得耗氫菌直接被滅活；形成孢子的產(chǎn)氫菌接種后就能恢復(fù)活性，以此實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氫菌的富集[72]。目前接種物預(yù)處理的方法有氯仿、超聲波、酸、堿以及熱預(yù)處理等[73]。其中，熱預(yù)處理為常用方法，因其具有簡單和易于操作的優(yōu)點(diǎn)，并且高溫條件下耗氫菌的細(xì)胞膜和細(xì)胞壁蛋白質(zhì)變性容易被滅活[71]。產(chǎn)氫菌種類與接種物來源及其預(yù)處理方法直接相關(guān)。Cui 等[73]發(fā)現(xiàn)厭氧污泥經(jīng)酸預(yù)處理（pH=3，24h）后，發(fā)酵制氫體系的優(yōu)勢菌群為梭狀芽胞桿菌；而Hu 等[74]發(fā)現(xiàn)厭氧污泥經(jīng)熱預(yù)處理（121℃，20min）后則為芽孢桿菌。當(dāng)連續(xù)共發(fā)酵制氫系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，通過設(shè)置較短HRT 和監(jiān)控發(fā)酵液pH，通常不會出現(xiàn)耗氫菌難以控制的問題。

表2 有機(jī)廢棄物厭氧共發(fā)酵制氫系統(tǒng)的主要功能菌群

發(fā)酵溫度對有機(jī)廢棄物厭氧共發(fā)酵系統(tǒng)中的產(chǎn)氫菌種類有較大影響。Karadag 等[75]證實(shí)了在發(fā)酵溫度為37～45℃、50～55℃和60℃時優(yōu)勢產(chǎn)氫菌分別為梭狀芽胞桿菌、芽孢桿菌和嗜熱厭氧菌。梭狀芽胞桿菌在中低溫和高溫的有機(jī)廢棄物厭氧共發(fā)酵系統(tǒng)中都能存在，主要由于其對溫度變化具有良好的適應(yīng)能力，可以活躍在11～53℃的溫度范圍[76?77]；甚至在超高溫（70℃）厭氧發(fā)酵制氫系統(tǒng)中仍為優(yōu)勢產(chǎn)氫菌[78]。其他產(chǎn)氫菌所適溫度范圍較窄，如腸桿菌、芽孢桿菌和嗜熱厭氧菌屬分別為30～40℃、35～40℃和40～60℃[70]。實(shí)際運(yùn)用中由梭狀芽胞桿菌和嗜熱厭氧菌的系統(tǒng)容易獲得較高的氫氣產(chǎn)率（2～3mol/mol 葡萄糖）[79?81]；而腸桿菌和芽孢桿菌產(chǎn)氫能力略低，僅1～2mol/mol 葡萄糖[79,82]。因此，厭氧共發(fā)酵制氫系統(tǒng)需保留梭狀芽胞桿菌和嗜熱厭氧菌以提高氫氣產(chǎn)率。同時，兼性厭氧產(chǎn)氫菌（如芽孢桿菌）可以為專性厭氧產(chǎn)氫菌（如梭狀芽胞桿菌、嗜熱厭氧菌）提供厭氧環(huán)境[83?84]；有機(jī)廢棄物共發(fā)酵制氫系統(tǒng)中的多菌群協(xié)同作用有利于提高氫氣產(chǎn)率。

此外，產(chǎn)氫菌種類及其豐度可以直接反映厭氧發(fā)酵制氫系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。當(dāng)其不穩(wěn)定運(yùn)行時會引出現(xiàn)氫氣產(chǎn)率及氫氣濃度、發(fā)酵液pH、VFAs種類及濃度等指標(biāo)的劇烈變化，本質(zhì)原因在于功能微生物菌群發(fā)生了改變。當(dāng)其穩(wěn)定運(yùn)行時產(chǎn)氫菌為主要優(yōu)勢菌群，系統(tǒng)環(huán)境對其生長代謝有利[85]。Jia等[86]發(fā)現(xiàn)高溫（55℃±1℃）發(fā)酵條件，通過改變有機(jī)負(fù)荷和發(fā)酵液pH調(diào)節(jié)微生物群落與系統(tǒng)穩(wěn)定性，在其不穩(wěn)定時出現(xiàn)了較多乳酸菌屬（Lactobacillus）和魏斯氏菌屬（Weissella）。Jo等[87]發(fā)現(xiàn)乳酸菌屬是不穩(wěn)定中溫（35℃）發(fā)酵系統(tǒng)中的主要微生物。

總之，接種物來源及其預(yù)處理和發(fā)酵溫度等對產(chǎn)氫菌具有篩選和富集作用，而梭狀芽胞桿菌是中溫和高溫發(fā)酵系統(tǒng)共有的產(chǎn)氫菌，乳酸菌屬通常在不穩(wěn)定發(fā)酵系統(tǒng)中出現(xiàn)。

5 不足與展望

低能耗和可持續(xù)的生物制氫技術(shù)成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，盡管已有大量研究證實(shí)了有機(jī)廢棄物厭氧共發(fā)酵制氫的獨(dú)特優(yōu)勢和潛在應(yīng)用價值，然而由于有機(jī)廢棄物厭氧共發(fā)酵制氫系統(tǒng)的復(fù)雜性，仍然存在諸多問題有待深入發(fā)掘和解決，且目前大多研究者僅進(jìn)行有機(jī)廢棄物共發(fā)酵批次試驗(yàn)，長期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)及相關(guān)工藝參數(shù)影響的研究報(bào)道相對缺乏。由此可以展望未來的有機(jī)廢棄物厭氧共發(fā)酵制氫研究的發(fā)展趨勢如下。

（1）擴(kuò)大利用有機(jī)廢棄物厭氧共發(fā)酵制氫的研究范圍。目前利用食品廢棄物和/或污泥等有機(jī)廢棄物為底物的研究較多，而利用其他有機(jī)廢棄物則缺乏或沒有共發(fā)酵制氫的研究報(bào)道。因此需要進(jìn)一步開展具有利用難度和技術(shù)復(fù)雜度的有機(jī)廢棄物如豬糞、牛糞等畜禽糞便以及工業(yè)廢水等進(jìn)行共發(fā)酵制氫研究。

（2）加強(qiáng)研究有機(jī)廢棄物預(yù)處理方法。有機(jī)廢棄物多為復(fù)雜有機(jī)物，部分有機(jī)廢棄物因其生物可降解性低下而導(dǎo)致氫氣產(chǎn)率較低，預(yù)處理可以有效地提高這些有機(jī)廢棄物的生物可降解性。因此，需要加強(qiáng)熱解、超聲、臭氧氧化等有機(jī)廢棄物預(yù)處理方法研究，以提高其厭氧共發(fā)酵制氫的性能。

（3）開展長期連續(xù)運(yùn)行有機(jī)廢棄物共發(fā)酵制氫系統(tǒng)的小試、中試和現(xiàn)場應(yīng)用研究。批次試驗(yàn)具有操作簡單、成本低廉以及發(fā)酵參數(shù)如溫度和pH 等容易控制的特點(diǎn)，但是存在不能連續(xù)制氫和需要重復(fù)制備接種物等缺點(diǎn)，很難在工程上推廣。因此需要進(jìn)一步明確在有機(jī)廢棄物種類和反應(yīng)器類型確定條件下的最佳工藝參數(shù)及其運(yùn)行特性，促進(jìn)有機(jī)廢棄物共發(fā)酵制氫技術(shù)完善及其實(shí)踐應(yīng)用。

（4）深入研究厭氧共發(fā)酵制氫系統(tǒng)的主要影響因子及過程機(jī)理，探明發(fā)酵液pH、氨氮和VFAs與底物分解和氫氣產(chǎn)生過程動態(tài)平衡規(guī)律，明確反應(yīng)體系中的微生物菌群互作關(guān)系及微生態(tài)學(xué)機(jī)制，開發(fā)高性能的產(chǎn)氫優(yōu)勢工程菌。

（5）開展有機(jī)廢物共發(fā)酵的關(guān)鍵因子影響研究。當(dāng)前研究主要集中在pH、發(fā)酵溫度、有機(jī)廢棄物混合比等因素影響方面，而其他因素如攪拌時間、攪拌強(qiáng)度、攪拌類型（機(jī)械或氣動）以及固液比等影響需要進(jìn)一步研究。

（6）綜合評估有機(jī)廢棄物共發(fā)酵制氫的技術(shù)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保社會效益，進(jìn)一步厘清過程產(chǎn)能和耗能、建設(shè)與運(yùn)行成本、固體廢物減量及資源化利用以及溫室氣體減排量等關(guān)系。

6 結(jié)論

產(chǎn)量巨大且價格低廉的有機(jī)廢棄物具有很好的產(chǎn)氫潛力，不同類型的有機(jī)廢棄物厭氧共發(fā)酵制氫具有互補(bǔ)營養(yǎng)元素、降低抑制或毒副作用以及提高反應(yīng)系統(tǒng)微生物多樣性、產(chǎn)氫菌豐度及活性等優(yōu)點(diǎn)，有利于提高氫氣產(chǎn)率。

不同有機(jī)廢棄物共發(fā)酵制氫具有不同的最佳混合比、有機(jī)負(fù)荷和發(fā)酵溫度，而初始pH（或發(fā)酵液pH）和HRT 則相似；共發(fā)酵制氫系統(tǒng)的穩(wěn)定性可用氫氣產(chǎn)率、氫氣濃度、發(fā)酵液pH、氨氮和VFAs 等指示；良好運(yùn)行的系統(tǒng)應(yīng)具有較高的產(chǎn)氫菌豐度和活性；梭狀芽胞桿菌是主要產(chǎn)氫菌種類。

目前有機(jī)廢棄物厭氧共發(fā)酵制氫多為批次試驗(yàn)研究，且被利用的有機(jī)廢棄物種類較少。廣泛利用各種有機(jī)廢棄物開展長期連續(xù)實(shí)驗(yàn)，全面考察關(guān)鍵因素（如反應(yīng)器類型、攪拌方式和固液比等）對有機(jī)廢棄物共發(fā)酵制氫的影響等，是今后的主要研究方向。