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有機(jī)廢棄物生物制氫研究

文檔作者：喻瑋昱文檔來(lái)源：長(zhǎng)沙麓山國(guó)際實(shí)驗(yàn)學(xué)校		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年11月16日
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技術(shù)與信息
68 | 2017年9月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(yáng)
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(zhǎng)速率較高，能利
用不同有機(jī)廢棄物產(chǎn)氫；②無(wú)需光照，操作及管理簡(jiǎn)單方便；
③反應(yīng)器容積無(wú)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(wú)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(guò)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(guò)低pH 和短水力停留時(shí)間來(lái)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。混合菌發(fā)酵操
作簡(jiǎn)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(zhǎng)，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(zhǎng)，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(wèn)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(guò)特殊擋板等反應(yīng)器設(shè)計(jì)，可延長(zhǎng)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(shì)[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(guò)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(lái)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(jiǎn)單，可以改造現(xiàn)有沼氣工程
來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；痆1,4]。過(guò)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(zhǎng)停留時(shí)間，以富集生長(zhǎng)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(guó)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(guò)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(wàn)m3，為
暗發(fā)酵產(chǎn)氫的規(guī)模化應(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(yǔ)
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(guò)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(lái)源廣泛，同時(shí)操作較簡(jiǎn)單、厭氧過(guò)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(guò)程能
量回收低的問(wèn)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(lái)巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)
和環(huán)境效益。
參考文獻(xiàn):
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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.
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有機(jī)廢棄物生物制氫研究
喻瑋昱( 長(zhǎng)沙麓山國(guó)際實(shí)驗(yàn)學(xué)校， 湖南 長(zhǎng)沙 410000)
摘要：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(guò)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(wú)污染、可再生、成本低等優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)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(guò)程放大等現(xiàn)狀，以期為生物能源的發(fā)展提供基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：生物制氫；有機(jī)廢棄物；暗發(fā)酵

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