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)

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)

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。

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[1-4]。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。

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1～3mol H2/mol-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 H2/ mol-葡萄糖，但温度高达70℃，能耗较高[2-3]。

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[2]。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。混合菌发酵操作简单，稳定性好，可转化各种有机废弃物，更具有实用性[2-3]。

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[2-3]。金属离子影响菌生长，可维持或增强相关酶活性，如Fe2+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[2-3]。

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)和升流式污泥床(UASB)。上述反应器可以结合固定化技术，以解决运行中产氢微生物的流失问题，固定化技术有两种：① 使用载体固定化。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[3]。

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8.3mol H2/mol-葡萄糖，证明“暗发酵产氢-光合产氢”的耦合可提高产氢，但其能量转化效率仍只有50%，光照需求等也给应用带来了困难[2-3]。

与之相比，“暗发酵产氢-产甲烷发酵”联产氢气甲烷系统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[1,4]。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[1,4]。

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100m3，容积产氢达到5.3m3/m3·d，年产氢气40万m3，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中试规模，中试反应器为0.15m3中温厌氧序批式反应器，容积产氢达1.7m3/m3·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。

[1]赵玉中,师晓爽,戴萌,等.微氧处理对城镇生活垃圾两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进展[J].水资源保护,2016,32(4):109-116.

[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,2013,36(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[J].环境科学与技术,2015,12:45-49.