生物质制氢研究进展

　　摘 要：生物质制氢是一项利用微生物的生理代谢作用分解有机物从而产生氢气的生物工程技术，具有产氢稳定性好、产氢能力高等优点，是一种符合可持续发展战略的可再生能源。本文介绍了生物质制氢的方法及研究进展。
　　关键词：生物质 制氢 进展
　　中图分类号:TQ116.29 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)10(c)-0000-00
　　
　　氢气作为一种极为理想的“绿色能源”，其发展前景是十分光明的，人们对氢能开发和利用技术的研究一直进行着不懈的努力。常规的制氢方法主要有水电解法、水煤气转化法、甲烷裂化法等，这些方法均需耗费大量能量。水电解法是国内外广泛采用的制氢方法，电解槽在标准状况下制取1立方米氢气（纯度为99.5%）实际电能消耗是4.5-6.0kw/h。电解法制氢还需配套纯水制备系统和碱液配制使用设备，使氢气生产成本较高。随着氢气用途的日益广泛，其需求量亦迅速增加，常规的制氢方法已不能适应社会发展的需要，研究开发更为经济的、有良好环保性能的、可再生的制氢技术成为当今世界的热门课题之一，也是社会可持续发展的需要。
　　生物制氢技术作为一种无污染的清洁生产技术，已在世界上引起广泛重视，越来越多的科学家投身并致力于生物制氢技术的研究开发和应用，日本、美国等一些国家为此成立了专门机构，并建立了生物制氢的发展规划，以期通过对生物制氢技术的基础性和应用性研究，使该技术实现商业化生产。我国生物制氢的研究有很大进展，国家863项目也给予支持。
　　生物质制氢包括两种方法：一种是生物质气化法，即通过热化学转化方式将处理过的生物质转化为燃气或合成气；另一种是生物质微生物制氢法，包括光合生物产氢、发酵细菌产氢、光合生物与发酵细菌的混合培养产氢。生物质气化法制氢需消耗大量能量，副产物多，很少采用；与光合法生物制氢技术相比，发酵法生物制氢技术在许多方面表现出优越性：目前的研究表明，发酵产氢菌种的产氢能力要高于光合产氢菌种，发酵产氢细菌的生长速率比光合产氢生物快；发酵法生物制氢无需光源，不但可以实现持续稳定产氢，而且反应装置的设计、操作及管理简单方便；可生物降解的工农业有机废料都可作为发酵法生物制氢的原料，原料来源广且成本低廉；兼性的发酵产氢细菌更易于保存和运输。所以，发酵法生物制氢技术较光合法生物制氢技术更容易实现规模化的工业性生产。国内外发酵法生物制氢技术的主要研究方向可以概括为以下几方面：①分离和筛选高效产氢菌种，Kumar 2000年分离得到一株阴沟肠杆菌，最大产氢速率可达29.63 mmolH2/(g干细胞·h)；我国的王勇从产氢活性污泥中分离得到几株产氢细菌。②不同基质生物产氢的可行性，Yokoi等人研究表明葡萄糖和麦芽糖是产气肠杆菌适宜的产氢基质；Roychowdhury等人对甘蔗汁、玉米浆的降解研究表明，混合培养污泥比两株Coli型细菌更易利用底物，从而获得更大的氢气产量。③混合菌种产氢技术，Majizat等人以葡萄糖为底物，利用接种厌氧活性污泥的反应器进行了连续流产氢研究，产氢速率为7.1 L/d；日本仙台Tohoku大学将餐厅剩菜与粪便污泥混合配成培养基料，利用煮沸15分钟的厌氧活性污泥和大豆粉仓中富含的产氢菌进行发酵制氢，发现底料的产氢潜力分别高达140 ml/g和180 ml/g，而厌氧活性污泥的接种产氢速率可达45 L/(gVSS·h)；方汉平利用混合发酵菌进行葡萄糖发酵产氢，获得了4.6 L/(gVSS·d)产氢速率。④生态因子对有机废水发酵产氢能力的影响，生态因子主要集中在温度、pH、氧化还原电位等。
　　目前研究的微生物发酵制氢的原料包括有机废水、粪便等，国内外对秸秆类生物质发酵制氢的研究刚刚起步，少数学者曾对秸秆类生物质发酵产氢的可行性进行了初步研究。云南师范大学关于稻草微生物发酵制氢的研究中，指出稻草的产氢潜力为53.5 ml/g·TS和63.65 ml/g·TS。中科院大连化学物理研究所也报道了利用气相色谱法跟踪测定秸秆微生物发酵液的产氢含量，指出产气肠杆菌、麦芽糖假丝酵母菌、以及两者与丁酸梭菌的混合菌是较好的产氢菌种，所产氢气的体积分数分别为产气肠杆菌60.04%，麦芽糖假丝酵母菌59.41%，混合菌11.27%。2006年郑州大学樊耀亭教授研究结果表明，经过HCl预处理的麦秆的最大氢气产气速率为68.1 ml/g·TS，这也是国际上首次发表的关于麦秆牛粪堆肥发酵产氢的论文。
　　当前和今后一段时期，我国将把优化能源结构作为保障能源供应的中心任务，到2020年使可再生能源在能源结构中比重，从目前的7％左右提高到15％左右。我国生物质能资源丰富，其中农作物播种面积约15亿亩，年产农业生物质约7亿吨，除部分作为造纸原料和畜牧饲料外，大部分作为燃料使用或丢弃。预计到2020年，全国每年可获得生物质量约20亿吨。然而目前我国主要采取传统低效的生物质能利用方式，利用技术水平低，资源浪费严重，并产生一系列的环境问题。生物制氢是以微生物自身的代谢产氢，反应在常温、常压和接近中性的温和条件下即可进行，而且可利用工农业废弃物为制氢原料，既实现了废弃物资源化利用，又降低了成本。以氢气作为能源正日益受到人们的重视，氢本身是可再生的，燃烧时只生成水，不产生任何污染物，甚至也不产生CO2，实现真正的“零排放”。所以，生物质制氢技术是一种发展前景广阔的环境友好型制氢新方法。
　　
　　参考文献
　　[1] C.G. Ba