有机废弃物生物制氢研究 喻玮昱（长沙麓山国际实验学校，湖南长沙４１００００） 摘要：氢气的燃烧生成水，是目前最理想的清洁能源之一。而暗发酵生物制氢过程，能利用各种生活污水、粪便和垃圾等为原料产 氢，获得氢气的同时净化了环境，具有无污染、可再生、成本低等优点，受到国内外广泛关注。本文系统地介绍了发酵制氢微生物菌 群、发酵工艺、过程放大等现状，以期为生物能源的发展提供基础。 关键词：生物制氢；有机废弃物；暗发酵 氢气是最理想的能源物质之一。制氢的方法主要包括太阳 ２．３两步发酵产氢和两步发酵联产氢气甲烷系统 发酵产氢的能量回收率大约只有５％～１５％，大部分能量 以挥发酸等形式残留在发酵液中，由此提出两步发酵产氢：第 一能制氢、水电解制氢、重整制氢、生物制氢等。生物制氢主要包 括光合制氢和暗发酵制氢，与前者相比，暗发酵制氢表现出更 多的优越性：①发酵产氢菌产氢能力高，生长速率较高，能利 用不同有机废弃物产氢；②无需光照，操作及管理简单方便； ③反应器容积无限制等［卜 。本文重点从菌群、发酵工艺和规模 放大几个方面对暗发酵产氢进行介绍。 步，发酵细菌转化有机物产氢，同时产生挥发酸等；第二：步， 加入光合细菌，利用挥发酸等产氢。通过两步工艺，产氢效率可 达８．３ｔｏｏｌ Ｈ，／ｍｏｌ一葡萄糖，证明“暗发酵产氢一光合产氢” 的耦合可提高产氢，但其能量转化效率仍只有５０％，光照需求 １发酵产氢微生物 产氢微生物主要包括肠杆菌属、固氮菌属、克雷伯氏菌 等也给应用带来了困难 。 与之相比，“暗发酵产氢一产甲烷发酵”联产氢气甲烷系统 属、醋微菌属和梭菌属等，其中研究最多的是梭菌属、肠杆菌属 等。梭菌分布极为广泛，能够产生孢子，对环境有较强耐受力； 梭菌能利用葡萄糖、纤维素等不同底物产氢，氢气产率可达 则可进一步提高能量回收，操作简单，可以改造现有沼气工程 来实现规模化 。过程关键点是产氢段采用偏酸ｐＨ、较短停留 时间，以抑制产甲烷菌，富集产氢微生物；而产甲烷反应器采 用中性ｐＨ、较长停留时间，以富集生长代谢较慢的产甲烷菌， 能量回收可达７０％以上”’ 。 ｌ～３ｍｏｌ Ｈ，／ｍｏｌ一葡萄糖。肠杆菌生长速度快，可代谢碳源 范围广，同时它能消耗氧，恢复产氢能力。一些极端嗜热菌有强 产氢能力，像高温厌氧纤维素分解菌的氢气产率达５ｍｏｌ Ｈ ／ ｏｏｌｔ－葡萄糖，但温度高达７０℃，能耗较高 。 纯菌产氢通常需要无菌条件。利用自然环境中的混合微生 物，例如堆肥、污泥等，经过热处理、酸碱处理等预处理可以实 现混合菌批处理产氢 。通过低ｐＨ和短水力停留时间来抑制 产甲烷菌，富集产氢菌，可以实现连续发酵产氢。混合菌发酵操 ３发酵产氢工程现状 发酵产氢尚未获得工业化应用，大量研究都只达到中试规 模。我国的任南琪教授提出乙醇型发酵产氢，以糖蜜废水为原 料，进行了乙醇型发酵产氢过程的中试放大研究，反应器规模 达到１００ｍ ，容积产氢达到５．３ｍ ／ｍ ｄ，年产氢气４０万ｍ ，为 暗发酵产氢的规模化应用打下了重要基础。以食品废弃物为原 料的发酵产氢也达到了巾试规模，中试反应器为０．１５ｍ 中温 作简单，稳定性好，可转化各种有机废弃物，更具有实用性 。 ２发酵产氢工艺 ２．１发酵工艺参数 影响发酵产氢的因素很多，包括ｐＨ、氢分压、温度等。ｐＨ 是影响发酵产氢的重要因素，偏酸性ｐＨ有利于抑制耗氢菌生 长，富集产氢菌，葡萄糖、蔗糖等为原料发酵产氢时最优ｐＨ一 般在４～６。温度提高可提高产氢速率，还将降低液相中氢气溶 解度，减少产物抑制 】。金属离子影响菌生长，可维持或增强 相关酶活性，如Ｆｅ 参与铁氧还蛋白合成；Ｎｉ２＋有利于提高氢 酶活性，从而影响产氢。氢的积累将产生产物抑制，向反应器充 厌氧序批式反应器，容积产氢达１．７ｍ’／ｍ ｄ。 ４结语 综上所述，暗发酵生物制氢在环境和能源领域体现了巨大 的潜力，该过程不仅可处理工业有机废水，还可处理城市垃圾、 农业废弃物等，原料来源广泛，同时操作较简单、厌氧过程能耗 低。尤其是联产氢气甲烷的两步工艺，可解决单一产氢过程能 量回收低的问题，还可较好地与现有沼气工程相整合得到应 用。目前，产氢菌群、优化控制和规模放大等仍有待深入研究。 以推进生物制氢的产业化，其发展必将带来巨大的社会、经济 和环境效益。 氮或氩气、降低氢分压可促进产氢。另外，废水的Ｃ／Ｎ比，底物 类型也有重要影响 。 参考文献： ［１］赵玉中，师晓爽，戴萌，等．微氧处理对城镇生活垃圾两 ２．２发酵产氢反应器 产氢最常用的反应器是搅拌式反应器（ＣＳＴＲ）和升流式 相发酵联产氢气甲烷的影响【Ｊ］．可再生能源，２０１６，４：６２１—６２７． ［２】王园园，张光明，张盼月，等．污泥厌氧发酵制氢研究 污泥床（ＵＡＳＢ）。上述反应器可以结合固定化技术，以解决运行 Ｊ］．水资源保护，２ ０１ ６，３２（４）：１ ０９—１１６． 中产氢微生物的流失问题，固定化技术有两种：①使用载体 进展［固定化。聚酯泡沫、粘土等都可作为载体，提高生物量浓度。② 污泥的自固定化。通过特殊挡板等反应器设计，可延长微生物 在反应器内的停留时间，培养出产氢颗粒污泥，实现污泥的自 固定化，具有独特优势 。 ６８ Ｉ化善 卵２０１７￣９Ｎ ［３］才金玲，王广．发酵生物制氢反应器研究进展［Ｊ］．环 境科学与技术，２０１ ３，３６（６）：７８—８４． ［４】李领川，李彦红，潘春梅，等．稀酸水解玉米秸秆两步 发酵联产氢气和甲烷…．环境科学与技术，２０１ ５，１２：４５—４９．