（环境工程专业论文）完全混合生物膜发酵制氢反应器的运行特性及调控技术.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论史 摘要 发酵法生物制氢技术，以生物质为原料进行可再生能源物质一氢气的生 产，符合可持续发展战略的要求，是解决环境污染和能源需求问题的重要途 径之一，已成为世界各国竞相开发的高新技术，具有广阔的应用前景。基于 目前幽际上对生物制氢工艺的研究现状，研究和开发高效、稳定、易于调控 的工艺形式，对加速发酵法生物制氢工艺的产业化有着重要的推动作用。本 研究采用颗粒活性炭作为生物载体，通过连续流实验，对生物载体强化的完 全混合生物制氢反应器的运行特性、不同有机废水产酸发酵类型的产氢能 力、运行稳定性以及乙醇型发酵的具体调控策略进行了深入研究。这些研究 对进一步提高系统的产氢能力，加速发酵法生物制氢技术的产业化进程具有 重要意义。 利用颗粒活性炭的吸附性能自固定经曝气培养驯化的生活污水排放沟底 泥，形成生物强化的载体，结合连续流搅拌槽式反应器，开发完全混合生物 膜法生物制氢工艺形式。在长期连续流运行过程中，获得不同产酸发酵类型 的生态位及产氢能力。丁酸型发酵、混合酸型发酵及乙醇型发酵适宜的p h 值范围分别为4 4 4 7 ，4 2 4 5 ，3 8 4 4 ；0 r p 范围分别为一2 0 0 一 3 5 0 m y ，3 5 0 一4 5 0 m v ，一3 3 0 一3 5 0 m v 。在乙醇型发酵时获得最大产氢速率 为4 1 l l 反应器d ，氢气含量5 8 ，优于其他发酵类型。因此可将乙醇型 发酵作为生物制氢技术的制氢策略。 在无搅拌的情况下，生物载体颗粒沉积在反应器底部，尽管系统p h 值 在4 4 左右，仍有产甲烷菌存在并进行旺盛的生命活动，消耗产氢产酸发酵 细菌产生的氢气。采取降低系统p h 值至3 7 ，快速恢复了系统的产氢能 力。降低p h 值可有效抑制厌氧产酸发酵过程中出现的产甲烷菌群，加速产 氢反应器的启动。通过适当的预处理措旌及运行控制对策可实现直接利用产 甲烷厌氧污泥作为生物制氢反应器的接种污泥。 通过模拟实际工程运行中的冲击负荷，将c o d 有机负荷从正常运行时 的4 0 k g ( m 3 d ) 降低到。1 2k g ( m 3 d ) ，运行5 d 后，提升到2 8 k g ( m 3 d ) 。尽管 负荷剧烈波动，系统内的p h 值虽然一度下降至3 , 0 ，但是当系统恢复正常 的底物供应时，系统p h 值即恢复至4 5 左右，氢气含量从1 7 上升到 4 8 ，产气量增加3 0 。这不仅表明了完全混合生物膜发酵制氢反应器良好 的缓冲性能及运行稳定性，而且为生物制氢反应器的快速启动和稳定运行提 供高效、简便的调控策略。 反应器运行不同时期厌氧活性污泥样品的d g g e 的d n a 指纹图谱显示， 微生物群落经历了明显的演替过程，群落结构和优势种群数量具有时序动态 性，微生物多样性呈现出协同变化的特征。在演替过程中，微生物多样性增 加后又逐渐降低，群落结构之间的相似性逐渐升高，演替速度由快速到缓 慢，优势种群经历了动态演替过程，最终形成特定群落构成的顶级群落。 在反应器初期运行阶段，先降低负荷至原负荷的2 5 3 0 ，在此基础 上将负荷提高3 5 倍，通过低负荷运行的选择过程，能够有效加速乙醇型 发酵的形成，提高反应器的产氢效率。 在一定有机负荷范围内，有机底物发酵速率为主要限制因素，产气率随 负荷增加而升高；当负荷达到一定水平后，物质的传质速率成为主要限制因 素，并由此导致产气率下降。因此有机负荷应控制在恒速产气负荷区，完全 混合生物膜发酵制氢系统应将有机负荷控制在4 0 5 6 k g c o d m ! ) d 。 关键词生物制氢；完全混合生物膜制氢反应器；产甲烷菌；p h ；发酵类 型 堕堡篓三些奎兰三兰堡圭兰竺篁兰 a b s t r a c t b i o t e c h n o l o g yo fh y d r o g e np r o d u c t i o nb yf e r m e n t a t i o n ，u s i n gb i o m a s sa s r a wm a t e r i a lt o p r o d u c eh y d r o g e n ，ak i n d o fr e n e w a b l ee n e r g ym a t t e r , c o n f o r m i n gt ot h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n t ，i so n eo ft h e 。i m p o r t a n t p a t h w a y sf o re n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nc o n t r o la n dc l e a ne n e r g yd e m a n d a n dt h i s h i g ht e c h n o l o g yw i t hb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c th a sa t t r a c t e dm a n yc o u n t r i e sa l l o v e rt h ew o r l d b a s e do nr e s e a r c hs t a t u so fb i o h y d r o g e np r o d u c i n gp r o c e s si n t h ew o r l d ，t h er e s e a r c ha n dt h ed e v e l o p m e n to fh i g he f f i c i e n c y , s t a b i l i t ya n d m a n e u v e r a b i l i t y ，w i l la c c e l e r a t et h ei n d u s t r i a l i z a t i o no fb i o h y d r o g e np r o d u c t i o n i nt h i s p a p e r , c o n t i n u o u s f l o wt e s t sw e r ec o n d u c e dt o i n v e s t i g a t e t h e c h a r a c t e r i s t i c sa n do p e r a t i o no fe n h a n c e d c o m p l e t e l ym i x e db i o h y d r o g e n p r o d u c t i o nr e a c t o ru s i n gg r a n u l a ra c t i v a t e dc a r b o na sc a r r i e r ，h y d r o g e np r o d u c i n g a b i l i t yu n d e rd i f f e r e n to r g a n i cw a s t e w a t e ra c i d o g e n i cf e r m e n t a t i o nt y p e s ，t h e s y s t e ms t a b i l i t ya sw e l la sr e g u l a t i v es t r a t e g yo ft h ee t h a n o lt y p ef e r m e n t a t i o n t h e s er e s e a r c h e sh a v et h ev i t a ls i g n i f i c a n c et of u r t h e re n h a n c et h es y s t e m s h y d r o g e np r o d u c i n ga b i l i t ya n dt o a c c e l e r a t et h ei n d u s t r i a l i z a t i o no fb i o h y d r o g e np r o d u c t i o n u t i l i z i n gt h ea d s o r p t i o np e r f o r m a n c eo fg r a n u l a ra c t i v a t e dc a r b o n ，a e r o b i c c u l t i v a t e ds e w a g es l u d g ew e r es e l f - i m m o b i l i z e dt ob eb i o l o g i c a lc a r r i e r s a c o m p l e t e l ym i x e db i o f i l mp r o c e s sf o rh y d r o g e np r o d u c t i o nw a sd e v e l o pb yt h e c o m b i n a t i o no fb i o l o g i c a lc a r r i e r sa n dc o n t i n u o u ss t i r r e dt a n kr e a c t o r i nt h el o n g t i m ec o n t i n u o u so p e r a t i o n ，h y d r o g e np r o d u c i n ga b i l i t ya n de c o l o g i c a lf a c t o r s u n d e rd i f f e r e n to r g a n i cw a s t e w a t e ra c i d o g e n i cf e r m e n t a t i o nt y p e sw e r eo b t a i n e d b u t y r i ca c i df e r m e n t a t i o n ，m i x e da c i df e r m e n t a t i o na n de t h a n o lf e r m e n t a t i o n w e r ef e a s i b l ei nt h ep hr a n g e s4 4 4 7 ，4 2 4 5 ，3 8 4 4 ，r e s p e c t i v e l y ；w h i l eo r p r a n g e sw e r e 一2 0 0 3 5 0 m v , 一3 5 0 一一4 5 0 m v , - 3 3 0 一一3 5 0 m v , r e s p e c t i v e l y t h e r e a c t o rw i t he t h a n o lf e r m e n t a t i o na c h i e v e dam a x i m u mh y d r o g e ny i e l dr a t eo f 4 1 l lr e a c t o r dw h i l e h y d r o g e n c o n t e n t 。w a s 5 8 s u p e r i o r t 。oo t h e r f e r m e n t a t i o nt y p e s c o n s e q u e n t l ye t h a n o lt y p ef e r m e n t a t i o ni st h eo p t i m i z a t i o n t ob i o - h y d r o g e np r o d u c t i o n a l t h o u g ht h es y s t e mp hv a l u ew a sa b o u t4 4 ，m e t h a n o g e n i cb a c t e r i ae x i s t e d 1 1 1 ! ! 垒堡三些奎兰三兰堡圭兰堡篁圣 a n dc a r r i e do nv i g o r o u sv i t a l a c t i v i t y t oc o n s u m eh y d r o g e n p r o d u c e d b y a c i d o g e n i cb a c t e r i a ，w h e nt h es t i r r e rw a so u to fw o r ka n db i o l o g i c a lc a r r i e r s d e p o s i t e di n t h eb o t t o m t h eh 3 7 d r o g e np r o d u c i n ga b i l i t yw a si m m e d i a t e l y r e s t o r e da f t e rr e d u c et h es y s t e mp hv a l u et o3 7 i tw a se f f e c t i v et os u p p r e s st h e m e t h a n o g e n sb yr e d u c i n gt h ep hv a l u eo ft h eb i o h y d r o g e ns y s t e m ，f u r t h e r m o r e ， a c c e l e r a t et h es t a r t - u po ft h er e a c t o r t h r o u g hs u i t a b l ep r e t r e a t m e n tm e t h o d sa n d o p e r a t i o n a l c o n t r o l c o u n t e r m e a s u r e s ，m e t h a n o g e n i cs l u d g em a yu s e da s i n o c u l a t e ds l u d g ef o rt h eb i o h y d r o g e np r o d u c t i o nr e a c t o r t os i m u l a t el o a di m p a c ti na c t u a lo p e r a t i o n ，c o do r g a n i cl o a d i n gr a t ew a s r e d u c e dt o12k g ( m 3 d ) f r o m4 0k g ( m 3 , d ) a n dp r o m o t e dt o2 8 k g ( m 3 d ) a f t e r5 d a y s a l t h o u g ht h ep h v a l u eo n c ed r o p st o3 0d u r i n gf i e r c ef l u c t u a t i o n s ，t h ep h v a l u ea s c e n d e dt o4 5a n dg r o s sg a sp r o d u c t i o nr a i s e d3 0 w i t ht h eh y d r o g e n c o n t e n tp r o m o t e dt o4 8 f r o m17 w h e nt h en o r m a ls u b s t r a t es u p p l yw a s r e s t o r e d ，i ti sn o to n l yi n d i c a t e dt h ec o m p l e t e l ym i x e db i o f i l m h y d r o g e n p r o d u c t i o nr e a c t o rh a sg o o db u f f e rp e r f o r m a n c ea n do p e r a t i o n a ls t a b i l i t y , b u ta l s o p r o v i d e das i m p l er e g u l a t i v es t r a t e g yw i t hh i g he f f i c i e n c ya n dm a n e u v e r a b i l i t y f o rf a s ts t a r tu pa n ds t a b l eo p e r a t i o no fb i o h y d r o g e np r o d u c t i o nr e a c t o r d n a f i n g e r p r i n tp r o f i l e so fd g g eo fd i f f e r e n ta n a e r o b i ca c t i v a t e ds l u d g e s a m p l e sf r o mt h er e a c t o rd e m o n s t r a t e d ，t h em i c r o f l o r ae x p e r i e n c e dao b v i o u s s u c c e s s i o np r o c e s s t h ec o m m u n i t ys t r u c t u r ea n dt h eq u a n t i t yo fs u p e r i o r i t y p o p u l a t i o n s t r a n s f o r m e da n dt h e m i c r o o r g a n i s mm u l t i p l i c i t yp r e s e n t e d c h a r a c t e r i s t i c so fc o o r d i n a t i o nc h a n g e s i ns u c c e s s i o np r o c e s s ，m i c r o o r g a n i s m m u l t i p l i c i t yi n c r e a s e d ，a n d t h e ng r a d u a l l yr e d u c e d ，w h i l et h es i m i l a r i t yo f c o m m n n i t ys t r u c t u r e se l e v a t e dg r a d u a l l y ，t h es p e e do fs u c c e s s i o nf r o mf a s tt o s l o w t h es u p e r i o r i t yp o p u l a t i o ne x p e r i e n c e dt h ed y n a m i cs u c c e s s i o n ，a n df i n a l l y f o r m e dt h ec o m m u n i t ys t r u c t u r ew i t hs p e c i f i cc o m m u n i t yc o n s t i t u t i o n i nt h es t a r t u ps t a g eo ft h er e a c t o r ，r e d u c i n gt o7 5 o fo r i g i n a lo r g a n i c l o a d i n gr a t ec o u l da c c e l e r a t et h ef o r m a t i o no fe t h a n o lt y p ef e r m e n t a t i o n ，p r o m o t e h y d r o g e np r o d u c i n ge f f i c i e n c y i nt h ec e r t a i no r g a n i cl o a d i n gs c o p e ，t h eo r g a n i cs u b s t r a t ef e r m e n t a t i o n s p e e di st h em a i nl i m i t i n gf a c t o r , g a sp r o d u c i n gr a t ei n c r e a s i n ga l o n gw i t ht h e r a i s eo fl o a d i n gr a t e w h e nt h e1 0 a d i n gr a t ea c h i e v e dac e r t a i nl e v e l ，t h em a s s t r a n s f e rs p e e db e c o m e st h em a i nl i m i t i n gf a c t o r , a n dm a yc a u s e sp r o d u c i n gr a t e i v 哈尔滨t 业大学t 学硕士学位论文 t od r o p t h e r e f o r eo r g a n i cl o a d i n gr a t es h o u l db ec o n t r o l l e di nas c o p ew h e r eg a s p r o d u c t i o ni si nt h ec o n s t a n ts p e e d o r g a n i cl o a d i n gr a t eo fc o m p l e t e l ym i x e d b i o - f i l mh y d r o g e np r o d u c t i o nr e a c t o rs h o u l d b ec o n t r o l l e di n4 0 - 5 6 k g c o d ( m 3 d ) k e y w o r d sb i o h y d r o g e np r o d u c t i o n ；c o m p l e t e l y m i x e db i o - f i l mr e a c t o r m e t h a n o g e n ；p h ；f e r m e n t a t i o nt y p e v 墼尘薹三些查兰三兰竺兰兰堡篁兰 1 1 概述 第1 章绪论 能源是现代文明生活的基础，是国家经济生活的核心。能源消耗水平也 已成为衡量一个国家国民经济发展和人民生活水平的重要标志。据权威机构 预测，到2 0 2 0 年，世界的能源消耗量将比1 9 9 5 年的需求量增长一倍。如果 这些能源全部使用化石燃料如煤、石油和天然气，那么到2 0 2 0 年，世界上 就很难再找到能满足1 0 0 亿人口的煤矿和油田。愈来愈多的国家认识到，能 源不仪是维护本国经济安全、保证国家经济可持续发展和居民生活水平不断 提高的重要战略因素，而且是涉及后代人生命攸关的重大问题。人类正面临 着以石油、天然气为主导的传统能源系统向可持续发展的新能源系统转移的 第三次能源大转变。2 1 世纪，在一次性能源结构趋向多元化时，终端能源 结构趋向更灵活、方便及洁净的能源形式。因此，为了解决能源短缺、环境 污染n 益严重和经济持续发展等问题，洁净的新能源和可再生能源的开发已 是迫在眉睫，世界上很多国家正在加紧制定或调整能源战略及政策，建立符 合本圈国情和世界能源发展趋势的以可再生能源和氢燃料为基础的新能源系 统。许多发达国家已纷纷将氢能作为一种极为重要的未来能源，加紧部署、 实施氢能战略。 据美国能源部下属新能源开发中心的调查，过去5 年，工业化国家在氢 能开发领域的投入年均递增2 0 ，5 ，而此前5 年为1 1 左右。日本工业技术 院从1 9 9 5 年起开始由政府提供资金研究以氢气取代城市煤气，2 0 0 1 年由政 府提供的科研资金达1 8 0 亿日元，其长远目标是逐渐减少对进口石油、天然 气的依赖。并且日本政府希望通过氢能的开发和应用，培育一个在2 1 世纪 大有作为的新兴产业和相关的服务业。日本产业界相信，在2 1 世纪，氢能 生产设备将逐步成为市场热点，其潜在市场规模将多达数百亿美元。由能源 部主持的氢行动计划，确立的最终目标是建立一个世界范围的能源网络，以 实现对可再生能源氢的生产、运输和利用，该计划从1 9 9 3 年到2 0 2 0 年 横跨2 8 个年头i i j 。2 0 0 3 年，美国正式启动国家氢燃料研究计划，投资 近2 0 亿美元从事氢能项目的研究与开发。氢能开发技术成果的大批商业化 是导致氢能开发进入实用化的重要原因。据美国、欧洲和日本汽车工业协会 坠尘堡三些查耋三兰璧圭兰堡丝兰 的统计资料，过去5 年上述地区汽车业在氢能开发上的投资年均增长2 2 左右，仅2 0 0 1 年在该领域的投资就达8 2 5 亿美元，其中美国的支出达5 3 3 亿美元。 氢能引起世界各国的关注基于以下几个原因：1 ) 超级洁净，生成物为 水，基本实现温室气体和污染物的零排放；2 ) 被称为“能源货币”，为可再 生能源的非稳供能提供储存可能；3 ) 可实现多种能源转化，保障国家能源 安全供应；4 ) 通用性强，可用于大多数终端燃烧设备：5 ) 化学活性高，燃 料电池避开热机转换循环可实现能量高效转化；6 ) 可望实现低损耗输运， 实现分布式利用。因而，氢能是充分利用国内资源实现自主能源供应，摆脱 进口依赖，并实现污染物和温室气体零排放的目标的最佳选择。 国际上氢能制各工艺主要有电解制氢、热解制氢、光化制氢、放射能水 解制氢、等离子电化学法制氢、矿石燃料制氢和生物制氢等。 电解水制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。水为原料制氢工程 是氢与氧燃烧生成水的逆过程，因此只要提供一定的能量，则可使水分解成 氢气和氧气。提供电能使水分解制得的氢气的效率一般在7 5 一8 5 。其工 艺过程简单，无污染，但消耗电量大，因此其应用受到一定的限制。光化制 氢是以水为原料，通过光催化分解制取氢气。矿石燃料制氢是目前最主要的 制取氢气的方法，以煤、石油及天然气为原料。热解制氢是通过外加高温使 水起化学分解反应来获得氢气。 这些常规的制氢方法在制氢过程中，消耗了大量的电能，天然气，石 油，使氢能成为昂贵的“二次能源”，并带来了一定程度的污染，已经无法 适应社会发展的需要，尤其是面临严竣的世界性环境危机，从国内到国外都 在大力推进和支持废物综合利用、节能高效的清洁生产项目，研究开发适应 社会发展需求的制氢技术已是当务之急。 生物制氢技术是利用生物质能，甚至是有机废物，通过微生物的光合作 用和发酵作用，将底物原料转化为氢能。生物制氢技术清洁、不消耗矿物资 源、从根本上实现了制氢技术的无污染化，反应条件温和、能耗低、能妥善 解决能源与环境的矛盾，促进经济与环境的协调发展，使氢气成为真正的绿 色能源【2 】。因而成为国际上探索和研究的热点，倍受世人关注，有关的技术 研究在世界各国的共同努力下，不断取得进展。 有机废水发酵法生物制氢工艺是一种新型的生物技术，该工艺利用厌氧 产氢一产酸发酵细菌对有机物质的发酵过程，将有机物质分解为有机酸( 乙 酸、丁酸等) 和乙醇等产物，同时释放出发酵气体一h 2 和c 0 2 。生物制 哈尔滨工业大学工学顾+ 学位论文 氢单元可作为两相厌氧生物处理工艺中的产酸相1 3 , 4 i ，实现产酸相与产甲烷 相的分离，不仅提高了废水厌氧生物处理能力，而且保证了厌氧生物处理系 统地运行稳定性5 1 。利用有机废水生产氢能技术的研究开发及推广应用，既 有利丁i i ：环境整治，又可回收能源，降低成本，是一项集环境效益、社会效益 和经济效益于一一体的新型环保产业，具有广阔的应用前景。 1 2 生物制氢技术的研究现状及研究方向 1 2 1 研究现状 在生理代谢过程中能够产生分子氢的微生物可分为两大主要类群：( 1 ) 包括藻类和光合细菌在内的光合生物。目前研究较多的主要有颤藻属 ( o s c i l l a t o r i a ) 、深红红螺菌( r h o d o s p i r i l l u mr u b r u m ) 、球形红假单胞菌 ( r h o d o p s e u d o m o n a ss p h e r o i d e s ) 、深红红假单胞菌( r h o d o p s e u d o m o n a s r u b r u m ) 、球形红微菌( r h o d o m i c r o b i u ms p h a e r o i d e s ) 、液泡外硫红螺菌 ( e c t o t h i o r h o d o s p i r av a c u o l a t a ) 等等。( 2 ) 诸如兼性厌氧的和专性厌氧的发酵产 氢细菌。如丁酸梭状芽孢杆菌( c l o s t r i d i u mb u t y r i c u m ) 、拜氏梭状芽孢杆菌 f c l o s t r i d i u mb e i j e r i n c k i i ) 、大肠埃希氏杆菌( e s e h e r i c h i ac o l i ) 、产气肠杆菌 f e n t e r o b a c t e ra e r o g e n e s ) 、褐球固氮菌( a z o l o b a c t e rc h r o o c o c e u m ) 等等。 生物制氢技术根据代谢机制的不同分为光合法和发酵法两种。光合法一 直是生物制氢技术的主导方向。直到上个世纪九十年代，发酵法生物制氢技 术才由于下列优点逐步引起广大研究者的关注。 ( 1 ) 研究表明发酵细菌产氢能力高于光合细菌。 ( 2 ) 在实际培养中，发酵细菌生长快于光合细菌。 ( 3 ) 无需光照不但可以昼夜持续产氢。而且使产氢反应器的设计、操 作和管理非常简单方便。 ( 4 ) 可以利用更广泛的底物，有益于实现废物处理资源化。 ( 5 ) 易于达到实现工业化生产的规模。 ( 6 ) 混合培养时，发酵细菌的驯化和启动更容易。 1 2 1 1 光合细菌 目前研究较多的是蓝藻类细菌( c y a n o l a c t e r i a ) 或蓝绿藻( b l u e g r e e n a l g a e ) 。如，r e d d y 和s p i l l e r 等( 1 9 9 6 ) 【6 】将鱼腥藻属的一个变异株( a n a b a e n a 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 v a r i a b i l i sa s l ) 纯化后，用角叉藻胶固定，进行了生物产氢的培养试验，最 大产氧率达4 6 m l g ( 干重) h ，但是这种高产氢率只维系了1 5 天。l i c h t l 和 b a z i n ( 1 9 9 7 ) i7 i 对有固氮作用的念珠藻n o s t o cf l a g e l l i f o r m e 进行了产氢性能研 究，分批培养( 反应器容积2 5 0 m l ) r 中，获得了约为1 2 p 。m o l h 2 m g ( 叶绿素a ) h 的最大产氢率，其连续培养试验f 5 0 0 m l ) 证明，n f l a g l l i f o r m e 在最佳条件 下( d = 0 0 2 2 h 1 ，3 4 ，5 1 k p a n 2 ) 的最大产氢率为7 1 8 4 p m o l h 2 m g ( 叶绿 素) h ，即3 8 - 3 5 m l h 2 g ( 干重) h 。 通过连续培养，利用自养型蓝绿细菌进行生物制氢的系统性研究很少， 而l i c h t l 和b a z i n 等人的研究在该领域最有代表性，它通过控制和优化恒化 器的各种影响因素，极大地提高了生物的产氢能力。 3 0 多年来，关于利用光和细菌进行生物制氢的研究，各国的研究者们 一直进行着不懈的努力。然而，氢生产率和对太阳能的转化效率仍然较低， 诸如氢产率低和产氢代谢过程的稳定性差等问题，始终是制约光合生物产氢 技术发展的主要障碍，有待于进一步的研究解决。 1 2 1 2 发酵细菌 能够发酵产氢的细菌很多，为了找到有理想产氨能力的发酵细菌，国内 外研究者分离了大量的产氢发酵细菌( h p f b ) 。基本是梭菌属和肠杆菌属的 一些菌种。 林明( 2 0 0 2 ) 1 3 】利用h u n g a t e 技术，首次从乙醇型发酵的污泥中分离 到一株呈乙醇型发酵的严格厌氧菌株s t r a i nb 4 9 ，其发酵产物主要为乙醇， 乙酸，h 2 ，c 0 2 和少量的乳酸，最适产氢p h 为4 0 左右，s t r a i nb 4 9 在 p h 4 2 和3 7 条件下最大产氢速率是3 0 3 m m o lh 2 gd r yc e l l h 。通过 1 6 s r r n a 全序列基因测序，及在g e n e b a n k 核酸数据库比较，s t r a i nb 4 9 属 于一个新的菌属e t h a n o l o g e n b a e t e r i u m 。 2 0 世纪9 0 年后期，人们直接以厌氧活性污泥中的兼性厌氧和专性厌氧 的发酵产氢细菌作为天然产气微生物。 1 2 2 生物制氢技术的主要研究方向 随着人们对氢能源的高度重视，以及对生物制氢技术认识的深入，国内 外众多的科研工作者投入到这项研究之中，目前生物制氢技术的主要研究成 果可以概括为以下几个方面。 哈尔滨工业大学工学硕：七学位论文 1 2 2 1 高效产氢菌种的分离和筛选 目前，国际上对生物制氢技术的研究仍处于实验室研究阶段，产氢细菌 的j 。氢能力不高成为限制生物制氢技术发展的重要因素。为了解决这一问 题，国内外的研究者纷纷进行产氢细菌的分离和筛选工作，以期获得高效的 产氢菌种。 t a n i s h o 等( 1 9 9 4 ) 【8 】从m i l a b i l i sj a l a p a 树叶中分离到的产气肠杆菌 ( e n t e r o b a c t e ra e r o g e n 邸) e 8 2 0 0 5 菌株的产氢能力为1 7m m o l h 2 g d r y c e l l t h ； y o k o i 等( 1 9 9 5 ) 【9 】从土壤中分离到的产气肠杆菌h o 3 9 菌株，其最大产氢能 力为8 5 0m l h 2 l h ；r a c h m a n 等( 1 9 9 7 ) t 1 0 1 分离到的产气肠杆菌h u l 0 1 突变 株a l 的产氢能力为7 8m m o l h 2 l 培养基；j u n g 等( 2 0 0 2 ) ”l l 从厌氧消化污 泥中分离出一株化能异养菌c i t r o b a c t e rs p y 1 9 ，最大产氢能力为2 7 i m m o l h 2 g d r y c e l l h ；t a g u c h i 等( 1 9 9 3 ) 从白蚁中分离到一株产氢细菌 c l o s t r i d i u ms p n o 2 也具有较高的产氢能力，达到2 i 0 3m m o l h 2 l 培养基； 林明( 2 0 0 2 3 】从生物制氢反应器的厌氧活性污泥中分离到了一株高效产氢细 菌，其产氢能力为2 5 2 8m m o l h 2 g d r y c e l l h ，是目前国际上所发现的具有最 高产氢能力的发酵性细菌之一。k u m a r ( 2 0 0 0 ) 1 1 4 1 从树叶榨出物中分离到一 株阴沟肠杆菌e n t e r o b a c t e rc t o c a ei i b t 0 8 ，在3 6 和p h 值6 0 条件下， 最大产氢速率可达2 9 6 3m m o l h 2 悖d r y c e l l h 。u e n o ( 2 0 0 1 ) 等人利用 c l o s t r i d i u m 进行丁酸性发酵产氢，达到2 4 t o o lh 2 m o l 葡萄糖。 1 2 2 2 生态因子对产氢能力的影响 生态因子对产氢发酵细菌的生长和生理代谢有重要影响，也会影响细菌 的产氢能力。目前对生态因子的研究主要集中在温度、p h 值、氧化还原电 位和金属离子等几个方面。 温度对微生物的生长和生理代谢过程有重要影响，不同的微生物的最适 生长和产氢温度不同。j u n g 等( 2 0 0 2 ) l 对c i t r o b a c t e rs p y 1 9 的研究表明， 其最适的细胞生长和产氢温度为3 0 4 0 。k u m a r 等 7 2 】证明e n t e r o b a c t e r c l o a c a ei i t b t0 8 在3 6 c 时具有最大的产氢速率。 喻尔滨工业大学工学硕士学位论文 p h 值对发酵细菌的产氢代谢活性和发酵产物组成均有重要影响，因此 对发酵细菌最适产氢d h 值的研究也很多。t a n i s h o 等( 1 9 8 7 ) 【1 6 】通过对 e n t e r o b a c t e ra e r o g e n e se 8 2 0 0 5 的研究提出，它的最适产氢p h 值为6 0 ； f a b i a n o 等( 2 0 0 2 ) ! ”在研究中发现，产气肠杆菌n c i m b l 0 1 0 2 的最适p h 值 为6 1 - 6 0 ；h e y n d r i c k x 等( 1 9 8 7 ) ”副的研究表明，c l o s t r i d i u mb u t y r i c u m i f 0 3 8 4 7 最适p h 值为5 5 6 6 。m o n o t 等( 1 9 8 4 ) ”9 j 研究了细胞内p h 值对发 酵产物的影响，结果表明，高p h 值条件下的发酵产物以酸类物质为主，低 p h 值条件下的发酵产物往往是丙酮和丁醇等物质。任南琪等( 1 9 9 8 ) 【2 o ，”j 经 过系统的研究提出，p h 值和氧化还原电位对产氢发酵微生物的发酵产物组 成有重要影响，是影响产酸发酵类型的限制性生态因子，并在此研究的基础 上建立了产氢一产酸发酵细菌三种发酵类型的p h o r p 二维实现生态位图 ( 如图1 2 所示) 。 1 0 0 0 ，- i 0 0 ，、 邑- 2 0 0 c 酗_ 3 0 0 - 4 0 0 - - 6 0 0 3番 5 6 7 硼值 图1 - 2 产酸发酵细菌三种发酵类型的p h o r p 二维实现生态位图 f i g 1 - 2t w od i m e n s i o nr e a l i z e dn i c h eo f p ha n do r pf o rt h r e ed i f f e r e n t 金属离子能对氢酶的结构和功能产生影响，从而影响产氢发酵细菌的产 氢能力。t 孽j ( 2 0 0 2 ) 2 2 1 的研究表明，f e 参与了产氢一产酸代谢中相关酶系的 作用过程，可直接影响细菌的生物氧化及脱氢过程，并可诱导系统的发酵过 坠堑篓三些奎兰三耋堡耋堡竺兰 程向平衡程度较高的乙醇型发酵类型转变。他还发现，单质f e 对产氢的促 进作用要优于f e 2 + 。林日y j ( 2 0 0 2 ) 1 1 3 1 对多种金属离子的研究表明，适宜浓度的 f e “、n i ”、m g ”对产氢菌株b 4 9 的生长和产氢发酵有促进作用，在 o 0 0 1 9 l 浓度下，促进顺序为f e 2 + n i 2 + m 9 2 + 。g r a y 等- ( 1 9 6 5 ) 2 列指出，在 缺铁的培养基上生长的肠杆菌和梭菌不能产氢。但是，当金属离子的浓度超 过一定范围时，会引起细菌中毒。镍在固氮菌中的毒性水平是1 0 4 m g l ，镁 在厌氧发酵中的抑制浓度在1 0 0 0 p p m 以上【2 。 1 2 2 3 细胞固定化与非固定化技术的研究 为了达到持续高效的生物产氢目标，实现生物制氢技术的工业化生产， 提高反应系统内的细胞持有量及其产氢速率是有效措施之一。为了提高产氢 细菌的生物量和产氢能力，人们利用一些微生物载体或包埋剂，对产氢细菌 的细胞固定化技术进行了一系列的研究。这一部分将在1 3 节中详细论述。 1 2 2 4 利用不同基质进行生物产氢的研究 发酵法生物产氢技术经过多年的发展，目前已经完成了中试研究【2 “， 将发酵法生物产氢技术应用到工业生产中去是科技工作者目前面临的课题。 但是，要将该技术推广应用还有很多困难需要解决。原材料( 底物) 成本是 目前最大的问题。在前期的研究中，用于生物制氢的原材料有很多种，如生 活垃圾、城市固体废弃物、工业废水、城市污水污泥等【2 6 。3 1 】。近几年来， 利用有机废水、有机固体废弃物为主的复杂有机物进行生物制氢的研究得到 了一定的开展，见表1 1 口”。但是在这些原材料中，目前能够成功用于连续 生物制氢的基本上都是溶解性的碳氢化合物，如废糖蜜、葡萄糖、白糖和蔗 糖等 3 孓3 6 1 ，这些都是较为昂贵的产氢底物，寻找大量存在且相对较为廉价 的原材料已经成为发酵法生物产氢工业化推广应用的当务之急。 皇些鋈三些奎兰三耋堡圭兰堡丝圣 表i 一1 利用废水和废物制氢的实例5 ”j ! ! ! 坦! ：! 兰：! 竺生：! ! ! ! ! ! ! ! 兰! ! ! ! 苎! ：! ! ! ! 坚竺! ! 兰竺堡! ! ：! z ! ! ! g ! 12 竺! ! ! 兰! ! 废水种类细菌种类培养方式细菌 豆制品废水 r h o d o b a c 把rs p h a e r o i d er v 制糖废水 r h o d o b a e t e r s p h a e r o i d e0 u 0 0 1 酒厂