（環(huán)境工程專業(yè)論文）餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫研究.pdf

獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行大量的研究工作后所取得的研究成 果。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的 研究成果，也不包括為獲得 金匿互些太堂 或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過 的材料。與我一同工作的同學(xué)對本研究所做的貢獻均已在論文中作了明確的說明，在此 向他們表示謝意。 學(xué)位論文作者簽字：張i 菰咖簽字日期：) 口1 1 年妒月潞日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解金g 巴蘭些太堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保 留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授 權(quán)金壁王些太堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采 用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 學(xué)位論文作者簽名：f 在闔黏 簽字日期：矽i j 年妒月訝日 學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向： 工作單位： 通訊地址： 禮勺覦 簽字日期：少，年( ，月夕日 電話： 郵編： 餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫研究 摘要 由于化石能源的不可再生性以及儲量的日益減少，使得能源問題越來越突 出，能源供給面臨巨大的挑戰(zhàn)。而氫氣作為一種新型的清潔能源，受到廣泛關(guān) 注。氫氣具有能量密度高、清潔衛(wèi)生等特點，是十分理想的“綠色能源 。 餐廚垃圾是城市垃圾的主要構(gòu)成組分，含有大量可生物利用的有機化合物， 是厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的優(yōu)質(zhì)底物。利用餐廚垃圾發(fā)酵制氫，實質(zhì)是產(chǎn)氫產(chǎn)酸菌利用 餐廚垃圾中的有機物，分解為氫氣和二氧化碳，并產(chǎn)生有機酸和乙醇等物質(zhì)的 過程。 本實驗在前人的研究基礎(chǔ)上，以餐廚垃圾為底物，厭氧污泥為接種微生物源， 研究利用不同預(yù)處理方法( 酸、堿、熱預(yù)處理) ，以抑制產(chǎn)甲烷茵的活性，從而 提高厭氧污泥產(chǎn)氫產(chǎn)率；研究利用添加秸稈對餐廚垃圾產(chǎn)氫的影響；最后，研 究了變溫發(fā)酵對餐廚垃圾的產(chǎn)氫過程的影響，并對產(chǎn)氫體系進行了優(yōu)化。結(jié)果 表明： ( 1 ) 酸、堿、熱三種預(yù)處理方式對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫有較強的促進作用，其中， 堿處理的厭氧污泥效果最好，產(chǎn)氫量和氫氣濃度均高于熱處理和酸處理污泥。 ( 2 ) 添加秸稈對餐廚垃圾產(chǎn)氫有促進作用，隨著稻草添加量的增加，產(chǎn)氫 量有較大幅度的增加，當(dāng)秸稈添加量為7 0 時達(dá)到最高，之后，隨著秸稈添加 量的增加有下降趨勢。 ( 3 ) 中溫是餐廚垃圾產(chǎn)氣的最適條件，在高溫條件下微生物的活性受到影 響。經(jīng)過變溫調(diào)控，氫氣的濃度和產(chǎn)量均得到有效提高。 關(guān)鍵詞：餐廚垃圾厭氧發(fā)酵氫氣 f o o dw a s t ei st h em a i nc o m p o s i t i o no fm u n i c i p a ls o l i dw a s t e ，c o n t a i n i n gal a r g e n u m b e ro fo r g a n i cc o m p o u n d s ，e a s i l yb i o d e g r a d a b l e ，i sa p o t e n t i a ls u b s t r a t ef o rh y d r o g e n p r o d u c t i o nt h r o u g ha n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n f o o dw a s t e i sh y d r o l y z e da n df e r m e n t e db y a c i d o g e n i cb a c t e r i ai n t h ea n a e r o b i cp r o c e s s h y d r o g e na n dc a r b o nd i o x i d ea r et h et w o m a j o rg a sp r o d u c ta n dt h eo r g a n i ca c i d s ，e t h a n o la n do t h e rs u b s t a n c e sa r ep r o d u c e da st h e l i q u i dp r o d u c t i nt h i ss t u d y , f o o dw a s t ei su s e da st h es u b s t r a t ea n da n a e r o b i cs l u d g ea st h ei n o c u l u m f i r s t l yt h ee f f l u e n c eo fd i f f e r e n tp r e t r e a t m e n tm e t h o d s ( a c i d ，a l k a l i ，h e a tp r e t r e a t m e n t ) o n a n a e r o b i cs l u d g eo nt h et h ea c t i v i t yo fm e t h a n o g e n sa n dh y d r o g e np r o d u c t i o nw e r e i n v e s t i g a t e d s e c o n d l yt h er a p es t r a w w a sa d d e dt oi m p r o v et h eh y d r o g e np r o d u c t i o no f f o o dw a s t e f i n a l l yt h ee f f l u e n c eo ft e m p e r a t u r eo fo nt h eh y d r o g e np r o d u c t i o nw a ss t u d i e d t h er e s u l t sa r el i s ta sf o l l o w s ( 1 ) e f f e c to f p r e t r e a t m e n to f i n o c l u ms l u d g eu s i n ga c i d ，a l k a l i ，h e a tp r e t r e a t m e n t m e t h o d sh a sp r o m o t e dt h eh y d r o g e np r o d u c t i o ns i g n i f i c a n t l y a l k a l it r e a t m e n tw a st h e o p t i m u mp r e t r e a t m e n ta p p r o a c hb a s e do nt h eh y d r o g e np r o d u c t i o ny i e l da n dp a r t i a l p r e s s u r eo fh y d r o g e n ( 2 ) a d d i t i o no fr a p es t r a w i n o tt h ef o o dw a s t ec a ng r e a t l yp r o m o t eh y d r o g e np r o d u c t i o n t h eh y d r o g e np r o d u c t i o nr e a c h e st h em a x i m u mv a l u ew h e n7 0 a d d i t i o no ft h er a p es t r a w ( 3 ) m e s o p h i l i ct e m p e r a t u r ei st h eo p t i m u mc o n d i t i o no fh y d r o g e np r o d u c t i o np r o c e s s a n dt h eh i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o nw i l la f f e c tt h ea c t i v i t yo fm i c r o o r g a n i s m s o p e r a t i o no f t h ea n a e r o b i cr e a c t o r 、析t l lt e m p e r a t u r ep h a s ei m p r o v e dt h eh y d r o g e np a r t i a lp r e s s u r ea n d t h eh y d r o g e np r o d u c t i o ny i e l da n dp r o d u c t i o nh a v eb e e ne f f e c t i v e l yi m p r o v e d k e y w o r d s ：f o o dw a s t e a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n h y d r o g e n 致謝 本文的研究工作是在導(dǎo)師彭書傳教授的親切關(guān)懷和精心指導(dǎo)下完成的。 特別感謝彭老師在我學(xué)習(xí)和實驗過程中給予的悉心指導(dǎo)。在論文的選題和 實驗的開展過程中彭老師均給予了我無私的指導(dǎo)和幫助，提出了許多寶貴的意 見，將使我終身受益。彭老師淵博的知識和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，使我終生難忘! 在 此，特向彭老師表示我最衷心的感謝! 在實驗階段，曾得到環(huán)境教研室其他老師尤其是岳正波和王進老師的幫助， 感謝岳老師在百忙之中給予的指導(dǎo)以及寶貴的建議，在此向他們表示最誠摯的 感謝；還要感謝我的師弟黃尊旺、黃思聰、葛勇，師妹王彩玲，他們在試驗過 程中給予了極大的熱情并為我提供了很多幫助。 在三年的學(xué)習(xí)期間，還得到了其他很多同學(xué)的幫助，在此也向他們表示我 最誠摯的謝意! 特別感謝我的家人在我求學(xué)過程中給予的支持、理解和鼓勵， 正是他們無私的愛和關(guān)心使我能夠順利完成學(xué)業(yè)。 感謝所有幫助過我的老師和同學(xué)! 感謝論文評審委員和答辯委員會委員對論文的批評和指正，謝謝! 作者：張國君 2 0 1 1 年3 月1 0 日 目錄 第一章緒論1 1 1 研究背景及現(xiàn)狀1 1 2 餐廚垃圾的產(chǎn)生與現(xiàn)狀2 1 3 生物制氫概況5 1 3 1 產(chǎn)氫生物介紹5 1 3 2 生物制氫的種類5 1 3 3 厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的途徑及類型6 1 4 影響厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的主要因素1 1 1 5 研究意義、研究目標(biāo)和研究內(nèi)容1 3 1 5 1 研究意義1 3 1 5 2 研究目標(biāo)1 4 1 5 3 研究內(nèi)容1 4 第二章材料與方法。1 6 2 1 實驗過程1 6 2 2 實驗裝置1 6 2 3 實驗材料1 7 2 4 主要實驗儀器與藥品1 7 2 5 主要測定項目及方法1 9 2 5 1 樣品分析1 9 2 5 2 氣體的計量1 9 2 5 3 氣體組分含量的測定2 0 2 5 4 秸稈組分的測定2 0 第三章污泥預(yù)處理對餐廚垃圾產(chǎn)氫的影響2 l 3 1 熱處理法2 1 3 1 1 實驗材料2 l 3 1 2 分析方法2 l 3 1 3 試驗方法2 1 3 1 4 實驗結(jié)論2 1 3 2 酸堿熱預(yù)處理2 6 3 2 1 實驗材料2 6 3 2 2 分析方法2 6 3 2 3 試驗方法2 6 3 2 4 結(jié)果與分析2 7 3 3 小結(jié)3l 第四章添加秸稈對餐廚垃圾產(chǎn)氫的影響3 2 4 1 實驗材料3 2 4 2 分析方法3 2 4 3 實驗方法3 2 4 4 結(jié)果與分析3 3 4 4 1 秸稈對餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)氣的影響3 3 4 4 2 秸稈對餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)氫的影響3 4 4 4 3 厭氧發(fā)酵反應(yīng)前后參數(shù)變化一3 6 4 4 4 稻草秸稈組分變化3 8 第五章溫度對餐廚垃圾產(chǎn)氫的影響。3 9 5 1 實驗材料3 9 5 2 分析方法3 9 5 3 實驗方法一3 9 5 4 結(jié)果與分析3 9 5 4 2 溫度調(diào)控對餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)氫的影響一4 1 5 4 3 反應(yīng)前后參數(shù)變化一4 3 5 4 4 稻草秸稈組分變化一4 4 5 5 小結(jié)4 4 第六章結(jié)論與展望4 5 6 1 結(jié)論4 5 6 2 展望4 5 參考文獻。4 6 攻讀碩士期間發(fā)表的論文5 l 7 9 1 ( ) 11 16 16 2 2 圖3 2 不同熱處理時間對氫氣含量的影響2 2 圖3 3 不同熱處理時間對累積產(chǎn)氫量的影響2 3 圖3 4 不同熱處理時間的氫氣比產(chǎn)氫率2 3 圖3 5 發(fā)酵反應(yīng)前后有機酸( v f a ) 的變化一2 5 圖3 6 不同接種物預(yù)處理對累積產(chǎn)氣量的影響2 7 圖3 7 不同接種物預(yù)處理對氫氣體積含量的影響2 8 圖3 8 不同接種物預(yù)處理對累積產(chǎn)氫量的影響2 8 圖3 9 氫氣的比產(chǎn)氫率2 9 圖3 1 0 發(fā)酵反應(yīng)前后有機酸( v f a ) 的變化3 0 圖4 1 秸稈添加量對累積產(chǎn)氣量的影響3 3 圖4 2 秸稈添加量對氫氣體積分?jǐn)?shù)的影響3 4 圖4 3 秸稈添加量對累積產(chǎn)氫量的影響3 5 圖4 4 稻草添加量的比產(chǎn)氫率3 5 圖4 5 發(fā)酵反應(yīng)前后v f a 的變化3 7 圖4 6 不同添加量下秸稈組分變化3 8 圖5 1 溫度調(diào)控對累積產(chǎn)氣量的影響4 0 圖5 2 溫度調(diào)控對氫氣體積含量的影響4 l 圖5 3 溫度調(diào)控對累積產(chǎn)氫量的影響4 1 圖5 4 不同溫度的比產(chǎn)氫率4 2 圖5 5 發(fā)酵反應(yīng)前后v f a 的變化一4 3 圖5 6 反應(yīng)前后秸稈組分變化4 4 表格清單 表1 1 餐廚垃圾的處置方法3 表1 2 不同的餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氫效果4 表1 3 產(chǎn)氫生物的種類5 表1 4 厭氧消化過程7 表1 5 發(fā)酵1 0 0 m o l 葡萄糖產(chǎn)生的產(chǎn)物組成8 表1 6 不同微生物的生長溫度范圍1 2 表2 1 餐廚垃圾組成成分1 7 表2 2 主要實驗儀器1 7 表2 3 主要實驗藥品1 8 表3 1 反應(yīng)前后體系濃度的對比2 4 表3 2 反應(yīng)前后體系濃度的對比3 0 表4 1 實驗處理方法3 2 表4 2 反應(yīng)前后體系濃度的對比3 6 表5 1 實驗處理3 9 表5 2 反應(yīng)前后體系濃度的對比4 3 第一章緒論 1 1 研究背景及現(xiàn)狀 隨著社會的不斷發(fā)展，人類對能源的需求日益增加。能源是人類賴以生存 的要素，是經(jīng)濟、社會發(fā)展重要的戰(zhàn)略物資。我國的能源消耗增長是世界上最 快的國家之一，能源問題十分嚴(yán)峻【l 】。據(jù)不完全統(tǒng)計，化石燃料占全球消耗能 源的8 0 以上。當(dāng)今世界，以石油為原料的燃料燃燒，會產(chǎn)生大量的環(huán)境污染。 化石燃料的燃燒產(chǎn)生二氧化碳，使得氣候變暖，造成全球的溫室效應(yīng)，氣候反 常，災(zāi)害不斷；不僅如此，燃燒排放出的大量煙塵、二氧化硫、氮氧化物等也 會使環(huán)境惡化，污染大氣；同時，能源利用中排放的污水還會污染水資源。由 于化石燃料燃燒造成的各種污染事件層出不窮，也直接威脅到了人類的生存和 生命財產(chǎn)安全。 由于化石燃料儲量有限，并且逐漸趨于枯竭，人們也逐漸意識到了前所未 有的能源危機。因此，近年來，人們的研究主要聚焦在可再生能源方面【2 6 】。可 再生能源中，太陽能最受關(guān)注，但與化石能源相比，光電池的價格相對較高。 中國西部儲存了豐富的天然氣資源，但也是不可再生的。因此，生物質(zhì)能以其 開發(fā)成本低、開發(fā)技術(shù)要求低、獲得范圍廣、收益大等優(yōu)點受到廣泛關(guān)注。生 物質(zhì)能的開發(fā)技術(shù)包括沼氣技術(shù)、生物質(zhì)熱裂解氣化、生物質(zhì)發(fā)電及生物質(zhì)液 體燃料等。在這些技術(shù)中，生物制氫技術(shù)的主要產(chǎn)物是氫氣，與氧氣的燃燒產(chǎn) 物是水，對環(huán)境沒有污染，因而成為研究的熱點。 氫氣不僅是其他能源的重要中間載體，同時也用于化工產(chǎn)品和食品工業(yè)中 脂肪和油類的氫化、燃料電池的制作、低分子飽和化合物的生產(chǎn)、鋼材的防腐 防氧化處理、石油的脫硫與重整等。據(jù)報道，每年全球氫氣貿(mào)易量己高達(dá)5 0 0 0 萬噸，并以1 0 的速度逐年遞增。由于氫氣需求量的不斷增長，同時具有開發(fā) 成本低、清潔環(huán)保等優(yōu)點，已經(jīng)受到世界的廣泛重視，氫氣的生產(chǎn)開發(fā)勢在必 行。 氫氣是一種理想的新型能源，不含碳、硫及其他的有害雜質(zhì)，被譽為“未來 燃料”。氫氣的燃燒只生成水，而且儲量巨大。氫氣具有清潔、無污染、能量密 度高和可再生的特點，而且熱值和熱轉(zhuǎn)化率很高，受到廣泛關(guān)注【卜引。 目前氫氣的制備工藝包括：水電解法制氫、熱化學(xué)分解水、熱催化重整、 熱解、氣化、汽化富氫有機化合物【9 - 1 1 】、太陽能制氫、天然氣或工業(yè)尾氣分離 制氫、生物制氫等【坨j4 1 。傳統(tǒng)的理化法制備氫氣要消耗大量的礦物資源，能耗 大、成本高，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生污染物，對環(huán)境也有一定的污染。而生物制氫 沒有任何污染，利用的是可再生資源，而且可以循環(huán)往復(fù)，是一種很有潛質(zhì)的 制氫方法。 1 2 餐廚垃圾的產(chǎn)生與現(xiàn)狀 餐廚垃圾俗稱泔腳，主要來源于居民、餐飲行業(yè)、中小學(xué)和企事業(yè)食堂， 在食物加工過程產(chǎn)生的食物廢料及剩余物。餐廚垃圾產(chǎn)量大、成分復(fù)雜，其主 要成分有米面、蔬菜、動植物油、果皮、肉骨等，以及少量的廢餐具、塑料袋 和餐紙等。主要化學(xué)成分為淀粉、蛋白質(zhì)、脂類、纖維素和無機鹽等，同時含 有少量n 、p 、k 、c a 、n a 、m g 、f e 等微量元素。餐廚垃圾的物理性狀為固液 混合態(tài)，而且非常粘稠。由于其成分復(fù)雜，且富含有機質(zhì)，因而容易滋生蟲蠅， 導(dǎo)致疾病傳播。 隨著人類生活水平的不斷提高，日常產(chǎn)生的生活垃圾不斷增加，餐廚垃圾 的總量和在固體廢棄物中所占的比例也不斷增加。據(jù)統(tǒng)計【1 5 】，我國的餐廚垃圾 正以每年約1 0 的速度增加，像上海、北京等主要城市的餐廚垃圾產(chǎn)量均超過 了1 0 0 0 t d 。餐廚垃圾含水率較高，脫水性能較差，在高溫環(huán)境下易腐爛，從而 造成蚊蠅、病菌滋生，影響人類的生存環(huán)境。因此，如何有效地處理餐廚垃圾， 對改善人們的生活品質(zhì)、緩解環(huán)境壓力具有十分重要的意義。另一方面，餐廚 垃圾具有營養(yǎng)成分豐富、有機物含量高等特點，是理想的發(fā)酵底物。利用餐廚 垃圾生物降解獲得清潔能源，不但可以解決環(huán)境污染問題，更能實現(xiàn)廢棄物的 資源化利用，變廢為寶。 以前，餐廚垃圾的處置是直接喂豬，這樣可能引起動物疾病，危害人類的 健康。飯店中使用的洗滌劑、消毒劑等，會使餐廚垃圾中含有鉛、汞等重金屬 以及黃曲霉等物質(zhì)，豬長期食用后，這些有毒有害物質(zhì)會在豬的體內(nèi)不斷積累， 并通過食物鏈進入人體內(nèi)，在一定程度上引起慢性中毒；此外，餐廚垃圾中含 有的金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、肝炎病毒等致病微生物，可能引發(fā)多種疾??； 還會傳播一些烈性傳染病，如乙肝、口蹄疫等；在加工、運輸、儲存餐廚垃圾 的過程中，沒有采取任何防治措施，造成環(huán)境污染，影響市容和環(huán)境衛(wèi)生。 目前，餐廚垃圾的處置方法主要有：好氧堆肥【l6 1 、厭氧發(fā)酵、高溫消毒制取 肥料、隨生活垃圾混合進入填埋、焚燒等方法，見表1 1 。各種方法都存在著 不同的問題。近年來，隨著化石能源的日漸枯竭和垃圾回收利用技術(shù)的不斷成 熟，城市垃圾綜合資源化已成為關(guān)注的焦點。餐廚垃圾中含有大量的纖維素和 淀粉等有機物質(zhì)，生物可降解性強。因此，生物方法已經(jīng)逐漸成為餐廚垃圾處 理的主要發(fā)展方向之一。 2 被處理的有機廢物在焚 燒爐內(nèi)進行氧化分解反 應(yīng)，廢物中的有毒有害 物質(zhì)在高溫中氧化、熱解 而被破壞 填埋利用天然地形或人工構(gòu) 造形成一定的空間，將固 體廢物填充、壓實、覆蓋 達(dá)到貯存的目的 不 過 生 定 無害化徹底，而且能 要求。設(shè)備一次性投資大、 回收熱能運行成本高、耗能大，有可 能產(chǎn)生煙塵及二嘿英而形 成二次污染 投資少、不需要高度 脫水或自然于化，適 于處理多種類型固體 廢棄物、技術(shù)成熟 制取肥料餐廚垃圾經(jīng)預(yù)處理后，制能充分利用餐廚垃圾 成動物飼料，進行資源化中有機營養(yǎng)成份 利用 生物處理利用生物尤其是微生物 有降解有機廢物，減 對有機固體廢物的分解少環(huán)境污染，節(jié)約不 作用使其無害化，并可使可再生能源等優(yōu)點 它們轉(zhuǎn)化為能源、食品、 飼料和肥料，還可從廢 品和廢渣中提取金屬 占用大量的土地資源，受 地理和水文地質(zhì)條件限制 較多，對于土壤、地下水和 大氣都會造成影響和潛在 的危害 垃圾廢物中的微量有毒有 害物質(zhì)對動物和人類的健 康安全帶來不利影響 越來越多的研究表明，餐廚垃圾是適合厭氧發(fā)酵的很好的基質(zhì)。由于餐廚 垃圾富含碳水化合物且易降解，是產(chǎn)氫原料的較優(yōu)選擇。表1 2 為國內(nèi)外餐廚 垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的現(xiàn)狀研究1 7 】： 3 餐廚垃圾半連續(xù)反應(yīng)器1 0 0 1 2 預(yù)處理的河 2 0 0 9 底物 道底泥 餐廚垃圾1 2 l 批式反應(yīng)器厭氧污泥 餐廚垃圾 1 0 k g 厭氧發(fā)酵 自體 罐 餐廚垃圾反應(yīng)器小試高溫和中溫菌群 餐廚垃圾、蔗2 5 0 m l 血清瓶過2 0 目篩的厭氧污 糖、脫脂牛奶泥 產(chǎn)氫速率最大為1 0 9 m 3 ( m 3 d ) ，氫氣體積分 數(shù)最高為6 5 由于v f a 的累積，使得 系統(tǒng)的產(chǎn)氣量不再增 加，當(dāng)減少系統(tǒng)v f a 的 濃度時，產(chǎn)氣得到恢復(fù) 由于乳酸發(fā)酵，會抑制 其他細(xì)菌生長，最終影 響到反應(yīng)的發(fā)酵啟動與 進程 中溫條件下檢測到少量 甲烷，高溫條件下無甲 烷，且氫氣產(chǎn)量要高于 中溫條件，氫氣的含量 最高達(dá)到6 9 產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫率隨著底 物的增加都增加。餐廚 垃圾、蔗糖、脫脂牛奶 的最大產(chǎn)氫率分別為 1 0 l 、2 3 4 、1 1 9 m l 以每 克c o d 計 ( 引自：牛冬杰，趙亞萱，劉常青等餐廚垃圾厭氧產(chǎn)氫綜述環(huán)境污染與防治【j 】，2 0 0 7 ， 2 9 ( 5 ) ：2 7 1 2 7 5 ) 4 1 3 生物制氫概況 1 3 1 產(chǎn)氫生物介紹 迄今為止，已研究報道的產(chǎn)氫生物類群包括了光合生物( 包括藻類和光合 細(xì)菌) 、非光合生物( 嚴(yán)格厭氧細(xì)菌、兼性厭氧細(xì)菌和好氧細(xì)菌) 。厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫 的微生物主要包括兩類：一是專性厭氧微生物，它們具有細(xì)胞色素體系，通過 產(chǎn)生丙酮酸或丙酮酸的代謝途徑來產(chǎn)氫。另外一類是兼性厭氧菌，它們含有細(xì) 胞色素體系，通過分解甲酸的代謝途徑產(chǎn)氫。 發(fā)酵產(chǎn)氫的微生物主要有：腸道芽孢桿菌屬( e n t e r o b a c t e r ) 、梭狀芽孢桿菌 屬( c l o s t r i d i u m ) 、埃希氏腸桿菌屬( e s c h e r i c h i a ) 和桿菌屬( b a c i l l u s ) 四大類， 目前發(fā)酵法產(chǎn)氫研究的最多的是梭狀芽孢桿菌屬【m 1 9 l 和腸道芽孢桿菌屬2 0 圳】。 前者如丁酸梭狀桿( c l o s t r i d i u mb u t y r i c u m ) 和拜氏梭狀芽孢桿菌( c l o s t r i d i u m p a s t e u r i a n u m ) 等，后者如產(chǎn)氣腸桿菌( e n t e r o b a c t e ra e r o g e n e s ) 和陰溝腸桿菌 ( e n t e r o b a c t e rc l o a c a e ) 等。各類微生物產(chǎn)氫狀況見下表1 3 。 表1 3 產(chǎn)氫生物的種類 t a b l e1 3s p e c i e so fh y d r o g e np r o d u c i n gb a c t e r i a 生物類群代表種屬 嚴(yán)格厭氧細(xì)菌 兼性厭氧細(xì)菌 好氧細(xì)菌 嗜熱古細(xì)菌 甲烷細(xì)菌 光合細(xì)菌 光合細(xì)菌+ 梭菌屬( c l o s t i d i u mb u t y r i c u m ) 、甲基營養(yǎng)菌( m e t h y l o t r o p h s ) 、 產(chǎn)甲烷菌( m e t h a n o g e n i cb a c t e r i a ) 、胃細(xì)菌( r u m e nb a c t e r i a ) 、 古細(xì)菌似r c h a e a ) 大腸桿菌( e s c h e r i c h i ac o l i ) 和腸道細(xì)菌( e n t e r o b a c t e r ) 地衣芽孢桿菌( b a c i l l u sl w h e n i f o r m i s ) 焦酚火球菌( p y r o c o c c u s f u r i o u s ) m e t h y l o s i n u st r i c h o s p o r i u m 、m e t h y l o m o n a sa l b u s r h o d o s p i r l l u mr u b r u m 纖維單細(xì)胞菌( c e l l u l o m o n a s + ) 1 3 2 生物制氫的種類 ( 1 ) 光解水產(chǎn)氫 許多藻類能進行產(chǎn)氫代謝，其中以藍(lán)細(xì)菌、綠藻、紅藻為代表。它們在厭 氧條件下，通過光合作用將水分解成氫氣和氧氣。在同一個光合系統(tǒng)中，存在 著兩個光合作用中心( 光合系統(tǒng)p si 和光合系統(tǒng)p si i ) ，他們是相對獨立又相 互協(xié)作的。其中p si i 吸收陽光，并利用太陽能將水分解成氫離子、電子和氧氣， 而p si 則生成還原力用以固定c 0 2 。這種方法的優(yōu)點是原料水和太陽能來源豐 富且價格低廉，缺點是水分解產(chǎn)生的0 2 會抑制氫酶的活性。 ( 2 ) 光合生物產(chǎn)氫 光合細(xì)菌產(chǎn)氫，以太陽能作為能源。光合產(chǎn)氫的代表生物是光和細(xì)菌和藻 類。光合細(xì)菌只有一個光合作用中心p si ，因此，光合細(xì)菌以有機物為電子供 體進行光合作用。光合細(xì)菌產(chǎn)氫的機制是：光子被捕獲到光合作用單位后，能 量送至光合反應(yīng)的中心進行電荷分離，并產(chǎn)生高能電子，造成質(zhì)子梯度而合成 a t p ( 腺嘌呤核苷三磷酸) 。高能電子從f d 通過f d n a d p + ，還原酶傳至n a d p + ( 煙酰胺嘌呤二核苷酸磷酸) 形成n a d p h ( 煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸) ，a t p 和n a d p h 通過固氮酶進h + 還原，最終生成h 2 【2 2 1 。 ( 3 ) 厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫 厭氧細(xì)菌利用含碳水化合物的底物，產(chǎn)生氣體，生成的混合氣體含有h 2 、 c 0 2 和c h 4 等。厭氧發(fā)酵主要是化能異養(yǎng)微生物，由于厭氧菌缺少正常的氧化 磷酸化的途徑，因此，在生長過程中電子得不到有效釋放而不斷積累，需要特 殊的調(diào)節(jié)機制來調(diào)節(jié)電子流動，其中可以通過產(chǎn)生氫氣來消耗多余的電子【2 3 1 。 目前關(guān)于厭氧產(chǎn)氫的生物化學(xué)和分子生物學(xué)等已經(jīng)基本探明。 1 3 3 厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的途徑及類型 目前，人們普遍將厭氧消化過程分為四個階段，水解階段、酸化階段、產(chǎn)氫 產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段。在這四個階段中，各類微生物菌群及作用見表1 4 。 在厭氧消化的過程中，由于四大類菌群的相互協(xié)同作用，使得復(fù)雜的有機物最 終降解為h 2 和c h 4 。產(chǎn)氫最終來源于厭氧消化的第三階段。根據(jù)末端發(fā)酵產(chǎn)物 的不同，通常把發(fā)酵類型分為三類：丁酸型、丙酸型和乙醇型發(fā)酵【2 4 1 ，如圖1 1 所示。 6 產(chǎn)甲烷階段產(chǎn)甲烷菌群 氣、二氧化碳以及新的細(xì)胞物質(zhì) 將氫氣和二氧化碳合成甲烷或?qū)⒁宜崦擊?生成甲烷和二氧化碳，或者利用甲酸、甲醇 及甲基胺裂解為甲烷 圖1 1 厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫途徑 f i g 1 1p a t h w a y so fh y d r o g e np r o d u c t i o nb ya n a e r o b i cf e r m e n t m i o n 7 ( 引自：r e nnq ，w a n gb z ，h u a n gj c e t h a n o l - t y p ef e r m e n t a t i o nf r o mc a r b o h y d - r a t ei n h i g hr a t ea c i d o g e n i cr e a c t o r j b i o t e c h & b i o e n g ，1 9 9 7 ，5 4 ( 5 ) ：4 2 8 - 4 3 3 ) ( 1 ) 丁酸型發(fā)酵( b u t y r i ca c i d - t y p ef e r m e n t a t i o n ) 產(chǎn)氫 研究表明，可溶性碳水化合物，如蔗糖、葡萄糖、乳糖、淀粉等發(fā)酵以丁 酸型發(fā)酵為主。發(fā)酵的末端產(chǎn)物主要為丁酸，另外還有乙酸、c 0 2 、h 2 和少量的 丙酸。丁酸型發(fā)酵主要利用梭狀芽孢桿菌屬( c l o s t r i d i u m ) 產(chǎn)氫，如酪丁酸梭狀 芽孢桿菌( c t y r o b u t y r i c u m ) 和丁酸梭狀芽孢桿菌( c b u t y r i c u m ) 。如表1 5 。 表1 5 發(fā)酵l o o m o l 葡萄糖產(chǎn)生的產(chǎn)物組成 t a b l e1 5t h ep r o d u c t i o no ff e r m e n t a t i o no flo o m o lg l u c o s e 梭狀芽孢桿菌屬發(fā)酵葡萄糖為丁酸和乙酸，并以中間產(chǎn)物乙酰c o a 作為分 叉點( 如圖1 2 ) 所示1 2 5 。從氧化還原反應(yīng)平衡來看，產(chǎn)乙酸過程產(chǎn)生大量的 n a d p + h + ，將乙酸作為唯一的終產(chǎn)物是不理想的。其生化反應(yīng)式如下： c 6 h 1 2 0 6 + 4 h 2 0 + 2 n a d + + 4 a d p + 4 p i 2 c h 3 c o o + 6 h + + 2 h 2 + 2 h c 0 3 。+ 2 n a d h + 4 a t p ( 1 ) 因為乙酸的生成途徑是沒有還原力的，當(dāng)乙酸產(chǎn)率較高時，就會導(dǎo)致 n a d h + h + 大量過量，同時由于乙酸所形成的酸型末端過多，因此，常常因為 p h 太低而造成負(fù)反饋作用。在葡萄糖的產(chǎn)丁酸過程中，產(chǎn)乙酸過程中過剩的 n a d h + h + 并不能被氧化，但是在產(chǎn)丁酸的過程中，可以減少n a d h + h + 的產(chǎn)生 量，同時也可以減少發(fā)酵產(chǎn)物中的酸型末端，因此，促進了葡萄糖的代謝進程， 也因此出現(xiàn)了產(chǎn)乙酸過程與丁酸循環(huán)機制的偶聯(lián)。 c 6 h 1 2 0 6 + 2 h 2 0 + 3 a d p + 3 p i - - c h 3 c h 2 c h 2 c o o 。+ 3 h + + 2 h c 0 3 。+ 3 a t p ( 2 ) 以丁酸型發(fā)酵的末端產(chǎn)物的平衡來分析，丁酸與乙酸物質(zhì)的量比約為2 ：1 ， 反應(yīng)式如下所示： 5 c 6 h 1 2 0 6 + 1 2 h 2 0 + 2 n a d + + 1 6 a d p + 1 6 p i 4 c h 3 c h 2 c h 2 c o o 。+ 8 h + + 2 c h 3 c o o + 2 n a d h + 1 0 h 2 + 1 0 h c 0 3 + 1 6 a t p ( 3 ) 8 圖1 2 梭狀芽孢桿菌丁酸型發(fā)酵途徑 f i g 1 - 2p a t h w a y so fb u t y r i ca c i d t y p ef e r m e n t a t i o nb yc l o s t r i d i u mb u t y r i c u m ( 引自：任南琦厭氧技術(shù)原理與應(yīng)用北京：北京化學(xué)工業(yè)出版社，2 0 0 4 ，8 4 ) ( 2 ) 丙酸型發(fā)酵( p r o p i o n i ca c i d t y p ef e r m e n t a t i o n ) 產(chǎn)氫 在厭氧生物處理過程中，酵母膏、明膠、肉膏等含氮有機物發(fā)酵常常發(fā)生 丙酸型發(fā)酵。難降解的碳水化合物( 如纖維素) 也常常呈現(xiàn)丙酸型發(fā)酵。與產(chǎn) 丁酸途徑相比，產(chǎn)丙酸途徑還原力較強，并有利于n a d h + h + 的氧化。丙酸型 發(fā)酵的特點是氣體產(chǎn)量很少，末端產(chǎn)物為丙酸和乙酸。 丙酸型發(fā)酵細(xì)菌主要為韋氏球菌屬和丙酸桿菌屬( p r o p i o n i b a c t e r i u m ) 。丙 酸的產(chǎn)生過程以e m p 途徑產(chǎn)生的丙酮酸為起點，不經(jīng)過乙酰c o a 旁路，包括 部分t c a 循環(huán)機制，如圖1 3 t 2 5 j 。丙酸型發(fā)酵中，產(chǎn)乙酸過程中釋放過量的 n a d h + h + ，與產(chǎn)丙酸途徑偶聯(lián)得以再生，反應(yīng)式如下： c 6 h 1 2 0 6 + h 2 0 + 3 a d p c h 3 c o o 。+ c h 3 c h 2 c o o + h c 0 3 。+ 3 h + + h 2 + 3 a t p ( 4 ) g o 一2 8 6 6k j t o o l 葡萄糖( p h = 7 ，t = 2 9 8 1 5k ) 9 h 網(wǎng) ic | o o 1i i 墨璧i 圖1 3 丙酸桿菌屬的丙酸型發(fā)酵途徑 f i g 1 - 3p a t h w a y so fp r o p i o n i ca c i d - t y p ef e n m e n t a t i o nb yp r o p i o n i b a c t e r i u m ( 引自：任南琦厭氧技術(shù)原理與應(yīng)用北京；北京化學(xué)工業(yè)出版社，2 0 0 4 ，8 5 ) ( 3 ) 乙醇型發(fā)酵( e t h a n 0 1 t y p ef e r m e n t a t i o n ) 產(chǎn)氫 乙醇型發(fā)酵制氫是一種全新的產(chǎn)氫途徑，它是任南琪教授在研究有機廢水 發(fā)酵產(chǎn)酸的過程中發(fā)現(xiàn)的【2 6 1 。乙醇型發(fā)酵的末端產(chǎn)物主要是乙醇、乙酸、c 0 2 、 h 2 和少量丁酸。乙醇型發(fā)酵途徑如圖1 4 所示【27 1 。乙醇型發(fā)酵是一種較佳的厭 氧發(fā)酵產(chǎn)氫途徑，它的優(yōu)勢在于反應(yīng)過程穩(wěn)定、產(chǎn)氫效率較高。由于乙酸和乙 醇在細(xì)胞和體系內(nèi)相互轉(zhuǎn)換，因此，人們也把乙醇型發(fā)酵理論稱作為“雙碳發(fā)酵 產(chǎn)氫學(xué)說或理論”【2 8 1 。目前，純菌種分離鑒定技術(shù)以及代謝分析的發(fā)展也為雙 碳發(fā)酵產(chǎn)氫理論提供了物質(zhì)基礎(chǔ)【2 9 1 。 1 0 c h 3 i c = o 1 0 0 0 h 丙酮i 酸 卜一2 c 0 2i c h t 2 占h o 原性輔酶i 圖1 4 細(xì)菌乙醇型產(chǎn)氫發(fā)酵途徑 f i g 1 4p a t h w a y so fe t h a n o l - t y p ef e r m e n t a t i o n ( 引自：李永峰高濃度有機廢水發(fā)酵法制取氫氣技術(shù)【j 】現(xiàn)代化工，2 0 0 5 ，2 5 ( 3 ) ：1 1 ) 1 4 影響厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的主要因素 ( 1 ) 溫度 影響厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的因素有很多【3 1 1 ，溫度是微生物生長、繁殖和代謝等生 命活動的重要影響因素，反應(yīng)溫度對厭氧產(chǎn)氫的影響非常顯著 3 2 - 3 4 】。首先溫度 影響酶的活性。酶是所有生物化學(xué)反應(yīng)都需要的生物催化劑，酶對溫度的敏感 性決定了微生物的生長必須在一定的溫度范圍內(nèi)才能正常進行，從而影響微生 物的生長速率及基質(zhì)的代謝速率；其次，溫度還會影響有機物在生化反應(yīng)中某 些中間產(chǎn)物的形成以及各種物質(zhì)在水中的解度【3 5 】；除此之外，溫度還對細(xì)胞質(zhì) 膜的流動性能有著重要影響，溫度高則細(xì)胞質(zhì)的膜流動性大，溫度低細(xì)胞質(zhì)的 流動性較小，不利于底物的傳遞。 根據(jù)微生物生長的最適宜溫度，可分為嗜冷、兼性嗜冷、嗜溫、嗜熱和超 嗜熱微生物等5 種類型，如表1 6 所示。 表1 6 不同微生物的生長溫度范圍 t a b l e1 - 6d i f f e r e n tt e m p e r a t u r er a n g e so fm i c r o b i a lg r o w t h 按溫度的不同，可將厭氧發(fā)酵分為三種類型：低溫發(fā)酵( 15 2 0 ) 、中溫 發(fā)酵( 3 0 - - 3 5 ) 和高溫發(fā)酵( 5 0 , - - - , 6 0 c ) 。高溫運行發(fā)酵方式耗熱量多，過程不穩(wěn) 定，運行管理要求復(fù)雜，而中溫發(fā)酵反應(yīng)速度較快，反應(yīng)溫度適中，所需發(fā)酵 時間又要比低溫發(fā)酵短，因此，厭氧生物處理中大多采用中溫發(fā)酵。大量研究 【3 6 】表明：厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的最適溫度在3 5 3 7 之間。也有文獻報道了高溫厭氧 發(fā)酵產(chǎn)氫的內(nèi)容，如y u 等【3 7 】人的研究發(fā)現(xiàn)，混合發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫，其反應(yīng)的最 佳溫度為5 5 。 ( 2 ) p h p h 值是厭氧產(chǎn)氫過程中另一個重要的環(huán)境因子【3 8 。3 9 1 。反應(yīng)體系中p h 值的 變化會對微生物細(xì)胞內(nèi)的酶產(chǎn)生最直接的影響，改變氫化酶的活性以及代謝途 徑，造成酶結(jié)構(gòu)變化以及酶失活，最終影響酶與底物的結(jié)合；另外，p h 還會影 響細(xì)胞的氧化還原電位、改變細(xì)胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、影響膜的滲透性、不利 于營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，最終對微生物的生長代謝產(chǎn)生影響?？傊?，p h 值必須控制 在一定的范圍，才能有利于微生物生長和繁殖。 目前對混合細(xì)菌產(chǎn)氫的p h 值研究較為廣泛，但是分歧較大。絕大部分研 究表明【4 引，微生物產(chǎn)氫發(fā)酵的最佳p h 值范圍在5