（环境工程专业论文）有机废水生物制氢技术基础研究.pdf

昆明理工大学硕士学位论文 摘要 生物产氢是利用某些微生物体内存在着特殊的氢代谢系统来生产分子氢的一项生 物工程技术。我国的食品发酵企业截止到1 9 9 8 年已有7 万多个( 非轻工企业) ，该工业 废渣水年排放总量达2 7 5 亿m 3 ，其中废渣量1 6 亿m 3 ，此类废水中含有丰富的蛋白质、 氨基酸、维生素、糖类。这为生物产氢提供了大量廉价盼有机基质，尤其是高浓度有机 废水，有利于微生物产氢。因此，课题利用有机废水对生物制氢技术进行了基础研 究。 本研究使用云南某污水处理厂浓缩污泥，采用不同的物理和化学方法对污 泥进行预处理，使处理后污泥菌种缩短污泥驯化时间，并将厌氧发酵反应控制在 产氢阶段；实验还考察预处理后的污泥，在模拟蔗糖及淀粉废水中的发酵产氢的 能力及在初始p h 、起始底物浓度、发酵温度以及微量元素f e 离子浓度变化对生物 制氢产氢浓度，累积产氢量的影响；通过均匀实验设计，考察不同初始p h 以及起 始底物浓度共同作用对产气中氢浓度和累积产氢量的影响，并通过计算机i ) p s 数 据分析软件，对实验结果进行二次多项式回归分析，确定有机废水生物制氢的最 佳厌氧发酵产氢条件。 实验结果表明：1 使用污水处理厂浓缩污泥，经热处理后进行微生物发酵 产氢实验，较之酸筛处理污泥和未处理污泥，在短时间发酵期内，可以得到更高 的累积产氢量和产氢浓度，并且抑制了c m 的产生。热处理污泥厌氧发酵产气中主 要气体成分为h ：和c o ：。2 在蔗糖为底物单因素影响实验中，得到最大的累积产 氢量1 3 5 m l g 蔗糖和产氢浓度5 7 。以淀粉为底物实验中，最大的累积产氢量 2 2 1 m l g 淀粉和产氢浓度6 6 。3 在生物制氢条件下，模拟废水中c o d 去除率 可达2 0 6 0 。5 在本研究中，利用加热预处理后的污水处理厂浓缩污泥为 天然菌种来源，蔗糖配制模拟有机废水，调整初始p h = 6 1 ，底物浓度5 3 9 l ， f e c l ：调整f e 2 + 浓度，当f e 2 + 15 0 0 m g l 时得到最大累积产氢量1 6 3 m l h ：g 以及最大产 氢浓度6 0 。 蔗糖产氢率与国内文献值1 7 4 m l h ：g 相比较略低，淀粉产氢率比国内文献值 1 8 4 m l h 。g 高出约2 0 。实验结果表明，利用经热处理浓缩污泥进行蔗糖和淀粉 模拟废水厌氧发酵产氢能够抑制产气中c h 。的产生，提高产氢浓度。 t 有机废水生物制氢技术基础研究 通过该技术的研究，不仅使有机废水产氢，而且产氢的同时也伴随有机物的 降解，废水得到净化，实现有机废水的“变废为宝”。同时还可以实现食品发酵 企业的可持续发展。 关键词：有机废水生物制氢均匀实验设计 i i 昆明理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t m i c r o o r g a n i s m c a np r o d u c ti t 2 b y s o m es p e c i a lh y d r o g e nm e t a b o l i s m s y s t e mi nj t s e f eb o d y t h e r ea r e7 0 ，0 0 0f o o df e r m e n t a t i o ne n t e r p r i s e s ( n o t1 i g h ti n d u s t r ye n t e r p r i s e s ) a tc h i n au p t o1 9 9 8 ，t h e s e e n t e r p r is e sd is c h a r g e2 7 5h u n d r e dm i l l i o nm 3w a s t es l a gw a t e ra n n u a l t h i s s t u d y isp r o c e e dt h eb a s et e c h n o l o g yo fp r o d u c th 2t h r o u g ha n a e r o b i c f e r m e n to r g a n icw a s t e w a t e rb ym i c r o o r g a n i s m b i o l o g i c a lh y d r o g e nw a sp r o d u c e dw i t ha n a e r o b i cb a t c hc u l t u r ef r o m s i m u l a t e dw a s t e w a t e rc o n t a i n i n gc a r b o h y d r a t eb yn a t u r a ln a n e r o b i c m i d r o o r g a n i s mo b t a i n e df r o ma n a e r o b i ct h i c k e n e ds l u d g e t h er e s u l tw e r e c o n c l u d ef r o mt h ep r o c e d u r eo ft h ep r o d u c i n gh y d r o g e n 1 i tc a ng e tm o r eh y d r o g e ng a sa n dh i g h e rl e v e lo fh y d r o g e np e r c e n t a g e f e r m e n ts i m u l a t e dw a s t e w a t e rb yh e a tt r e a t m e n tt h i e k e n da c t iv es l u d g et h a n a c i dt r e a t m e n ta c t i v es l u d g ea n dn o r m a la c t i v es l u d g ed u r i n gs h o r tt i m e h 2 a n dc 0 2w a st h em o s tp a r to fb i o g a s ，h a v es o m ec h la tp r i m a r ys t a g e 2 i n t h ee f f e c to fs i n g l ee l e m e n to ns u g a rs i m u l a t e dw a s t e w a t e rf e r m e n t ，g e t t h em a xc u m u l a t i o np r o h y d r o g e ng a sw a s1 3 5 m l g s u g a ra n dp e r c e n t a g e5 7 u n d e rt h et e m p e r a t u r ew a s3 5 1 i n i t i a lp hw a s6 0a n ds u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o nw a s5 o g l ：a m y l u ms i m u l a t e dw a s t e w a t e rf e r m e n tg e tm a x c u m u l a t i o np r o h y d r o g e ng a sw a s2 2 1 m l g a m y i u ma n dp e r c e n t a g e6 6 u n d e r t h et e m p e r a t u r ew a s3 5 1 i n i t i a l p i t w a s7 0 a n ds u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o nw a s6 0 9 。4 s u p p l e m e n t a r ye x p e r i m e n t sc o n f i r m e dt h a tt h e o p t i m u mc o n d i t i o i l se v a l u a t e di nt h i ss t u d yw e r eh i g h l yt e l i a b l e ，a n dt h e c o d r e d u c t i o n sw e r ea p p r o x i m a t e l y2 0 6 0 5 f ei st h em a j o re l e m e n ta n d f ec a np r o m o t ee n z y m a t i cr e a c t i o nd u r i n gt h eo r g a n i cm a t t e rf e r m e n ta n d p r o h y d r o g e np r o c e s s i n g w h e nt h ei n it i a lp h = 6 1 ，s u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o n w a s5 3 9 l ，f e ”c o n c e n t r a t i o nw a s1 5 0 0 m g l ，t h em a xp r o h y d r o g e nw a s 16 3 m l g ，t h em a xp r o h y d r o g e np e r c e n t a g ew f l s6 0 i l l 童塑壅查皇塑型壑垫查墨壁堕塑 一 t h r o g ht h es t u d yo ft h i st e c h n o l o g y ，i tn o to n l yp r o d u c th 2b yf e r m e n t o r g a n i cw a s t e w a t e rb u ta ls od e a c t i v a t i o n t h i sw a s t e w a t e r ，r e a l i z ef o o d f e r m e n t i o ne n t e r p r is ec o n t i n u a b l e d e v e l o p k e y w o r d ：o r g a n i c w a s t e w a t e r ；p r o h y d r o g e n b a c t e r i u m ；b i o h y d r o g e n ；e f f e c t e l e m e n t 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用约内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：鸯弛 日期：伽谚年7 月 目 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 导师签名：童皇论文作者签名：铷 日 期：塑! 篷! 旦! 旦 昆明理工大学硕士学位论文 1 1 国内外能源现状概况 第一章前言 国家经济发展中能源是先行，能源供应的水平标志着一个国家的发达程度。 根据世界银行发布的1 9 9 7 年世界发展报告，1 9 9 7 年美国的人均能耗水平为 8 0 7 6 k g 石油当量年，世界人均能耗为1 6 9 6 k g 石油当量年，我国人均能耗水平 为9 0 7 石油当量年。美国的人均能耗水平是世界人均能耗水平的5 倍，是我国 的9 倍，可以看出，经济的高速发展和国家的富强，都是建立在能源大量占有和 消耗上的。 在目前所用商品能源中”1 ，9 5 是化石能源。在能量消耗中，石油占能源消耗 总量的4 5 ，煤炭占3 0 ，天然气占2 1 。而这些矿物燃料都是不可再生的资源， 在地球上的储量也是有限的。据估算，以目前的储量和开采程度，石油仅能维持 5 0 8 0 年，煤炭也只能维持2 0 0 一3 0 0 年，人类正面临着严重的能源危机。另外， 这些化石燃料的使用会产生大量的二氧化碳、二氧化硫、氨氧化合物。据统计b 1 ， 全球每年排入大气中的二氧化碳约1 4 5 亿吨，其中美国占3 6 1 ，欧盟占2 4 2 ，中国占2 0 7 ，俄罗斯占1 7 4 ，日本占8 5 。因此，开发洁净的新能源 和可再生能源已是追在眉睫。 1 2 氢能源特点 许多国家正在加紧研究开发、利用太阳能、生物质能、海洋能、地热能和氢 能等替代能源。以氢气作为能源正日益受到人们的重视，从发展清洁能源的角度 来看，氢是最理想的载能体。氢在燃烧时只生成水，不产生任何污染物，甚至也 不产生c o ：，可以实现真正的“零排放”。此外“1 ，氢与其它含能物质相比，还具 有一系列突出的优点：( 1 ) 氢的能量密度高，是汽油的2 6 8 倍：( 2 ) 用于贮电 时，其技术经性能目前已有可能超过其它各类贮电技术：( 3 ) 将氢转换为动力， 热效率比常规化石燃料高3 0 6 0 ，如作为燃料电池的燃料。效率可高出一倍：( 4 ) 氢适于管道运输，可以和天然气输送系统共用：在各种能源中，氢的输送成本最 低，损失最小，优于输电；( 4 ) 氢与燃料电池相结合可提供一种高效、清洁、无 传动部件、无噪声的发电技术。预计到2 1 世纪初，燃氢发动机将在汽车、机车、 1 有机废水生物制氢技术基础研究 飞机等交通工具的应用中实现商业化。因此开发氢能已经成为能源开发的热点。 1 3 传统制氢技术研究概况 传统的制氢方式为物理方法和化学方法的综合性应用，如石油制品裂化法、 水电解法和水煤气转化法等。 蒸汽甲烷重整制氢是在催化反应器中加热甲烷( c h 4 ) ，使甲烷分解氢原子， 然后在加入蒸汽分解出更多的氢，二氧化碳为副产品。该法是目前最常用和最廉 价的生产氢的方法。 煤气转化制氢是使煤通过气化重整制氢。这是一种商业化的制氢方法。世界 煤炭资源丰富，煤可作为制氢的主要原料。但该技术只有在天然气昂贵的地方这 种方法才能与甲烷重整制氢法相竞争。 石油制品裂化法制氢是通过重油、水蒸汽和氧气反应制得含氢气体。气体产 物组成为：氢气4 6 ( 体积) 、一氧化碳4 6 ，二氧化碳6 。目前，石油制品裂化 法已是商业化的方法，但该法要求采用纯氧，且效率较低，排放二氧化碳较多。 电解水制氢是目前最为广泛使用的将可再生资源转换为氢的技术。当两个电 极( 阴极和阳极) 分别通上直流电，并且浸入水中时，水将会被分解并在阴极和阳 极分别产生氢气和氧气。该技术一般电耗量为4 5 5 5 k w h n m 3 h ：。 8 0 年代末，国际上出现了光解海水制氢的方法，以激光诱导m o c v d 制膜技术 有所突破，制成新型的金属半导体金属氧化物光电化学膜，用此种膜作为海水 电解的隔膜，能使海水分离制得氢和氧，其电耗低，转换效率已达1 0 左右，此 方法已引起各国科学家的关注。 上述制氢方法都存在着生产工艺复杂，或需要大量基础能源，以及制氢成本 居高不下等特点，使得氢能源至今仍然只是局限于应用在航空航天、军事等高成 本投入的行业中，距离人们实际生活还有相当大的一段距离。所以，寻找一条高 效、经济的产氢途径，降低氢气生产成本的研究在国际上方兴未艾。 生物制氢是利用生物有机体代谢过程中产生的终产物或副产物，且由于设备 简单，运行费用低等特点被公认为是氢气生产方式中最有意义的一种工艺形式。 昆明理工大学硕士学位论文 1 4 本课题的提出 生物制氢是利用某些微生物体内存在着特殊的氢代谢系统来生产分子氢的一 项生物工程技术。到目前为止，发现有产氢活性的微生物有光和细菌、藻类和非 光合菌种。 我国的食品发酵企业截止到1 9 9 8 年已有7 万多个( 非轻工企业) ，该工业废 渣水年排放总量达2 7 5 亿m 3 ，其中废渣量1 6 亿m 3 ，此类废水中含有丰富的蛋 白质、氨基酸、维生素、糖类。这为生物制氢提供了大量廉价的有机基质，尤其 是高浓度有机废水，溶解氧极易为好氧和兼性厌氧微生物消耗，从而造成厌氧环 境，这有利于微生物产氢。因此，本课题利用有机废水对生物制氢技术进行了基 础研究。 通过该技术的研究，不仅可使有机废水产氢，而且产氢的同时也伴随有机物 的降解，使废水得到净化，实现有机废水“变废为宝”。另外，2 0 0 5 年2 月2 8 日， 可再生能源法在十届全国人大常委会第十四次会议上获表决通过。该法将通 过新能源开发和利用，来改善中国目前的能源结构，增加能源供应，保护环境， 实现经济社会的可持续发展。上述技术的研究还可以实现食品发酵企业的可持续 发展。 有机废水生物制氢技术基础研究 第二章生物制氢技术研究现状 目前的生物制氢主要有两种方法：光合生物产氢；发酵细菌产氢。 2 1 光合生物产氢 能够产氢的光合生物包括光合细菌和藻类。目前研究较多的产氢光合细菌主 要有深红红螺茵、红假单胞茵、液胞外硫红螺茵、类球红细菌、夹膜红假单胞菌 等。光合细菌属于原核生物，催化光台细菌产氢的酶主要是固氮酶”1 。 一般认为光合细菌只含有光合系统p s i 。光合细菌产氢的机制是光子被捕获 到光合作用单位后，其能量被送到光合反应中心，进行电荷分离，产生高能电子， 并造成质子梯度，从而合成a t p 。产生的高能电子从f d 通过f d - - n a d p + 还原酶传至 n a d p + 形成n a d p h ，固氮酶利用a t p 和n a d p h 进行h + 还原，生成h 。”1 “。失去电子的光 合反应中心必须得到电子以回到基态，继续进行光合作用。光合细菌以还原型硫 化物或有机物作为电子供体，并且在光合成过程中不产生0 ：“”。一般而言，光合 细菌产氢需要充足的光照和严格的厌氧条件。 徐向阳等“”和朱核光等1 分别利用红假单胞菌株d 和b 2 1 ，b 2 2 、4 、1 、s b 处 理有机废水，结果均表明：产氢速率随光强的增大而增大。但也有实验显示”1 ， 光合细菌还能进行黑暗条件下的放h 。例如：紫色非硫细菌在黑暗条件下发酵时， 能依靠丙酮酸一甲酸裂解酶系统代谢丙酮酸而放h 。a t s u n a g at “”等采用微厌氧 的，明暗交替的二段式光生物反应器连续发酵1 5 0 h ，利用非硫光合细菌r h o d o u j u m 印产氢，每6 h 在每个反应器中通人1 2 芦m o l 的微量0 ：，在微量氧、暗条件下，菌体 的呼吸作用受到促进而产生大量的a t p ，接着在明条件，即光照条件下，由于高 浓度的a t p 存在，可大大提高固氮酶的活性，产氢量是绝对厌氧条件下的4 倍。与 连续光照反应器相比，二段式光反应器的h 。产率大大提高。 许多藻类如绿藻，红藻，褐藻等) 能进行氢代谢，目前研究较多的主要是绿藻 “。这些藻类属真核生物，含光合系统p s i 和p s i i ，不含固氮酶，h 。代谢全部由氢 酶调节。放氢反应可由两条途径进行。一条途径是葡萄糖等底物经分解代谢产生 还原剂作为电子供体，电子传递途径是：电子供体一p s i f d 一氢酶，同时伴 随着c o 。放出：另一条是生物光解水产h 。，电子传递途径是：h ：0 一p s i i p s i f d 4 昆明理工大学硕士学位论文 氢酶一h ：，同时伴随着0 。的生成。 另一种能够进行光合产氢的微生物是蓝藻。蓝藻与高等植物一样含有光合系 统p s i 和p s i i ，但其细胞特征是原核型，属于原核植物。蓝藻中含有氢酶，能够 催化生物光解水产氢。另外，有些蓝藻也能进行由固氮酶催化的放氢，固氮酶主 要存在于异形胞中。异形胞是蓝藻丝状体中的一种特化细胞，是在缺氧条件下由 普通细胞经过细胞壁加厚而成的没有内含物的细胞，这种加厚的细胞壁能够防止 0 z 的进人，使异形胞中保持近乎无氧状态，从而使固氮酶发挥活性。异形胞的组 成中不含p s i ，只含p s i i ，因此，与光合细菌一样，异形胞不能进行c o 。的固定和 光合放0 ：，但仍然能进行光合磷酸化，为固氮酶提供所需的能量。对有圃氦作用 的念珠藻( n a s t o cf a g el l i f o r m e ) 进行的连续培养( 5 0 0 m 1 ) 中，最大产氢率为 3 5 3 8 m lh 2 g ( 千重) h “”。 生物光水解产氢是利用水和太阳能为原料，通过光合细菌和藻类相互协同作 用来发酵产氢，该过程可以简化对生物质的热处理。降低成本，增加氢气产量。 i k e 等“盯研究了光合细菌r h o d o b a c t e rs p h a e r o i d o s 厅哪乳酸杆菌l a c t o b a c i l u s a m y l o c o r u s 共同发酵3 种藻类生物质c h l a m y d o m o n a sr e i n h a r d t i lc h l o r e l l a p y r e n o i d o s a 和p u n a l i e l l at e r t i a l e c t a 。藻类的主要光合储存物是淀粉，经 a m y l o c o r u 硕处理可完全水解为乳酸。乳酸是理想的产氢物质，从而为见 s p h a e r o i d e s 月瞧供了很好的产氢底物。最终，h 。的产量可达5 m o l h ：葡萄糖。 i k e 等“”又利用光合细菌r h o d o b i u mm a r i n u m n a c t o b a c i l l u sa m y o c o u r u s - - 起 发酵c h l a m y d o m o n a sr e i n h a r d t i i 的淀粉葡萄糖，结果h 2 的产量高达8 m o l h ：淀粉 葡萄糖。这一结果使直接利用海水中的藻类制氢成为可能。 微生物将有机物质转化为氢气具有巨大的潜力，但经过半个多世纪的研究， 光合生物制氢技术尚未得到理想的结果， 生长过程必须以充足的光照为前提条件。 2 2 发酵细菌产氢 2 2 1 发酵产氢的发展简史 这主要是因为光合微生物生长速度慢 无法进行相当规模的工业化生产。 1 9 4 9 年，美国生物学家g e s t 等首先发现深红红螺菌( r h o d o s p i r i l l u m r u b r u m ) 的光合产氢现象。1 9 6 5 年，g r a y 乘l g e s t 首次把氢气作为发酵目的产物 5 昆明理工大学硕士学位论文 氢酶一h ：，同时伴随着0 。的生成。 另一种能够进行光合产氢的微生物是蓝藻。蓝藻与高等植物一样含有光合系 统p s i 和p s i i ，但其细胞特征是原核型，属于原核植物。蓝藻中含有氢酶，能够 催化生物光解水产氢。另外，有些蓝藻也能进行由同氨酶催化的放氢，固氮酶主 要存在于异形胞中。异形胞是蓝藻丝状体中的种特化细胞，是在缺氧条件下由 普通细胞经过细胞壁加厚而成的没有内含物的细胞，这种加厚的细胞壁能够防止 0 。的进人，使异形胞中保持近乎无氧状态，从而使固氮酶发挥活性。异形胞的组 成中不含p s i ，只含p s i i ，因此，与光合细菌一样，异形胞不能进行c o 。的固定和 光台放0 ：，但仍然能进行光合磷酸化，为同氮酶提供所需的能量。对有固氮作用 的念珠藻( 胎s t o ct l a g e i f o r m e ) 进行的连续培养( 5 0 0 m 1 ) 中，最大产氢率为 3 5 3 8 m 1 h 。g ( 千重) - h “。 生物光水解产氢是利用水和太阳能为原料，通过光合细菌和藻类相互协同作 用来发酵产氢，该过程可以简化对生物质的热处理。降低成本，增加氢气产量。 i k e 等“”1 研究了光合细菌r h a d o b a 。t e r s p h a e r o i d e s 厅嘲乳酸杆菌l a c t o b a c i j l u s a m y l o c o r u s 共同发酵3 种藻类生物质c h l a m y d o m o n a sr e i n h a r d t i lc h l o r e l l a p y r e n o d o s a 和d u n a t i e l l at e r t i a l e c t a 。藻类的主要光舍储存物是淀粉，经 a m y l o c o r u s 预处理可完全水解为乳酸。乳酸是理想的产氢物质，从而为兄 s p h a e r o y d e s 月睫供了很好的产氢底物。展终，h 2 的产量可达5 m o l h ，葡萄糖。 i k e 等“”又利用光合细菌r h o d o b i u 册m a r i n u m - 与 a c t o b a c i l l u sa m y o c o u f u s - - 起 发酵c h j a m y d o m o n a sr e i n h a r d t i i 的淀粉葡萄糖，结果h 2 的产量商达8 m 0 1 h ：淀粉 葡萄糖。这一结果使直接利用海水中的藻类制氢成为可能。 微生物将有机物质转化为氢气具有巨大的潜力，但经过半个多世纪的研究， 光合生物制氢技术尚未得到理想的结果，这主要是因为光合微生物生长速度慢， 生长过程必须以充足的光照为前提条件。无法进行相当规模的工业化生产。 2 2 发酵细菌产氢 2 2 1 发酵产氢的发展简史 1 9 4 9 年，美国生物学家g e s t 等首先发现深红红螺菌( r b o d o s p i r i l l u m r u b r u m ) 的光台产氢现象。1 9 6 5 年，g r a y 和g c s t 首次把氢气作为发酵目的产物 r u b r u m ) 的光合产氢现象。1 9 6 5 年，g r a y 和g e s t 首次把氢气作为发酵目的产物 5 昆明理工大学硕士学位论文 氢酶一h ：，同时伴随着0 。的生成。 另一种能够进行光合产氢的微生物是蓝藻。蓝藻与高等植物一样含有光合系 统p s i 和p s i i ，但其细胞特征是原核型，属于原核植物。蓝藻中含有氢酶，能够 催化生物光解水产氢。另外，有些蓝藻也能进行由固氮酶催化的放氢，固氮酶主 要存在于异形胞中。异形胞是蓝藻丝状体中的一种特化细胞，是在缺氧条件下由 普通细胞经过细胞壁加厚而成的没有内含物的细胞，这种加厚的细胞壁能够防止 0 z 的进人，使异形胞中保持近乎无氧状态，从而使固氮酶发挥活性。异形胞的组 成中不含p s i ，只含p s i i ，因此，与光合细菌一样，异形胞不能进行c o 。的固定和 光合放0 ：，但仍然能进行光合磷酸化，为固氮酶提供所需的能量。对有圃氦作用 的念珠藻( n a s t o cf a g el l i f o r m e ) 进行的连续培养( 5 0 0 m 1 ) 中，最大产氢率为 3 5 3 8 m lh 2 g ( 千重) h “”。 生物光水解产氢是利用水和太阳能为原料，通过光合细菌和藻类相互协同作 用来发酵产氢，该过程可以简化对生物质的热处理。降低成本，增加氢气产量。 i k e 等“盯研究了光合细菌r h o d o b a c t e rs p h a e r o i d o s 厅哪乳酸杆菌l a c t o b a c i l u s a m y l o c o r u s 共同发酵3 种藻类生物质c h l a m y d o m o n a sr e i n h a r d t i lc h l o r e l l a p y r e n o i d o s a 和p u n a l i e l l at e r t i a l e c t a 。藻类的主要光合储存物是淀粉，经 a m y l o c o r u 硕处理可完全水解为乳酸。乳酸是理想的产氢物质，从而为见 s p h a e r o i d e s 月瞧供了很好的产氢底物。最终，h 。的产量可达5 m o l h ：葡萄糖。 i k e 等“”又利用光合细菌r h o d o b i u mm a r i n u m n a c t o b a c i l l u sa m y o c o u r u s - - 起 发酵c h l a m y d o m o n a sr e i n h a r d t i i 的淀粉葡萄糖，结果h 2 的产量高达8 m o l h ：淀粉 葡萄糖。这一结果使直接利用海水中的藻类制氢成为可能。 微生物将有机物质转化为氢气具有巨大的潜力，但经过半个多世纪的研究， 光合生物制氢技术尚未得到理想的结果， 生长过程必须以充足的光照为前提条件。 2 2 发酵细菌产氢 2 2 1 发酵产氢的发展简史 这主要是因为光合微生物生长速度慢 无法进行相当规模的工业化生产。 1 9 4 9 年，美国生物学家g e s t 等首先发现深红红螺菌( r h o d o s p i r i l l u m r u b r u m ) 的光合产氢现象。1 9 6 5 年，g r a y 乘l g e s t 首次把氢气作为发酵目的产物 5 有机废水生物制氢技术基础研究 提出了发酵产氢的概念“7 ”“。1 9 6 2 至1 9 6 4 年，m c c a r t y 等人提出，沼气发酵中可 能存在中间微生物群落一产氢菌。 1 9 6 6 年，h u n g a t e 报道许多瘤胃细菌在纯培养下能产氢”“，氢气是瘤胃内混 合发酵的重要中间产物，但浓度很低”。1 9 6 7 年，b r y a n t 采用改良的h u n g a t e 厌 氧技术分离纯化了m e t h a n o b a c t o r i u mo m o l i a n s k i i o 菌株，得到产甲烷杆菌m o h 菌 株和“s ”有机体( ss t r a i n ) ，并证实这两种菌之间对乙醇的代谢具有良好的互 营联合作用。1 9 7 9 年，为了纪念b r y a n t 的卓越工作，b a l c h 等把产甲烷杆菌m o h 菌 株定名为布氏甲烷杆菌( m e t h a n o b a t e r i u mb r y a n t i i ) 。 1 9 6 7 年，l a w r e n c e 和m c c a r t y 提出厌氧消化三阶段理论：厌氧水解、产氢产乙 酸和产甲烷三个阶段。尽管产氢机理还不很清楚，但可以肯定产氢起终于厌氧消 化的第二阶段。h o l m e s 等”分离鉴定了厌氧活性污泥中产氢细菌，均属大肠杆菌， 其中柠檬酸细菌( “t r o b a c t e r ) 占优势。 1 9 7 9 年，成都生物研究所的刘克鑫、徐洁泉等“7 3 在沼气发酵污泥的富集培养 物中加入薯芋粉完全抑制了产甲烷，转而产氢气，并从中分离了2 4 株产氢细菌。 1 9 8 7 年，k i s a a l i t a 等 8 1 在进行乳糖厌氧发酵产酸时，发酵产物依赖p h 值的变 化，p h 值高于4 5 时没有气体产生，低于4 5 时，有较多的乙醇、丁酸盐和乙酸盐 产生。 1 9 9 3 年一1 9 9 4 年，哈尔滨建筑工业大学任南琪和王宝贞教授等，利用他们设 计的连续流搅拌槽式反应器( c s t r ) 进行糖蜜发酵产氢研究”，提出了乙醇型发酵 产氢的理论，消除了反应器中部分丙酸、丁酸积累，使产氢速率达1 0 4 3 h 。m 3 d ， 2 0 0 1 年，进行中试研究，获得3 0 m o l k g v s s d 的持续产氢能力。 2 0 0 0 年，台湾的j i u n n - j y i l a y 。“用热处理后的厌氧消化污泥，进行淀粉连续 发酵产氢的最佳条件实验，在t ：3 7 ，p h = 5 2 、有机负荷6 k g 淀粉m “d ，h r t = i7 h ， 磁力搅拌转速7 0 0 r p m 下，获得最大产氢速率1 6 0 0 l m 3d ，淀粉c o b 转化率 1 2 9 l h 。g c o d 。同年日本的m i z u n o 等。”利用从豆腐窑中富集的产氢细菌 ( a n a e r o b i cm i c r o ，1 0 r a ) ，进行豆腐厂废水批量发酵产氢实验，用n 。洗脱空气，在 t = 3 5 ，p h = 5 0 、产氢持续了12 h ，结果显示产氢转化率2 5 4 m o l h 。m o l 己糖，氢含 量6 3 ，且最高产氢速率的碳水化合物浓度为3 7 2 0 m g l 。 2 0 0 2 年。“，王勇从产氢厌氧活性污泥中分离到了几株产氢细菌，并获得了细 菌的电镜照片；同年，林明从生物制氢器的厌氧活性污泥中分离到了一株高效产 昆明理工大学硕士学位论文 氢细菌b 4 9 ，其产氢能力为2 5 2 8 m m o lh ：( g 干细胞h ) ，是目前国际上发现的具 有最高产氢能力的发酵性细菌之一。 2 2 2 发酵产氢细菌 许多微生物在代谢过程中可产生分子态的氢，仅细菌就有2 0 多种“，其中有 依靠发酵过程而生长严格的厌氧菌，这类细菌在厌氧条件下分解复杂有机物，发 酵糖、醇、有机酸的同时产生氢气。表2 1 总结了部分已分离到的产氢细菌及产 氢能力。 表2 1 产氢发酵细菌的产氢速率及其产氢能力 dnane g 0rd y h 一 0r p ro y m t u：1 l r 1 e b t a d b na tn y e t m 1 r c e o f iev tcudor p ne g ord y 2e1bat 有机废水生物制氢技术基础研究 2 2 3 厌氧消化产氢理论 发酵产氢是利用产氢微生物，在厌氧条件和酸性介质中代谢有机物产生氢气 的过程”。厌氧消化过程主要分为三个阶段。“1 ：水解、产氢产酸和产甲烷阶段。 在这一过程中，各类微生物菌群及作用如表2 2 。 表2 2 厌氧活性污泥中微生物群及作用”2 1 t a b l e 2 2t h ef u n c t i o no fb a c t e r i u mir lt h ea n a e r o b i cs e d i m e n t 在攘个厌氧消化过程中，各类菌群间的物质代谢和能量代谢，始终处于一种 相互制约、相互协调的平衡状态，使复杂有机物降解为c h 。和c 0 。在水解阶段， 淀粉、纤维素、蛋白质、脂肪在水解性细菌作用下，水解成葡萄糖、二糖、氨基 酸、脂肪酸：在产氢产酸阶段，产氢产酸细菌发酵可溶性低分子碳水化合物、有 机酸等，产生醋酸、丙酸、丁酸等有机小分子化合物以及h 。和c o 。：在产甲烷阶段， 产甲烷细菌利用产氢产酸阶段的末端产物，产生甲烷和二氧化碳。目前的资料表 明，在酸性条件下，抑制产甲烷阶段进行，转而产氢，且h ：含量可达6 0 以上”“。 然而，产甲烷阶段是厌氧消化的动力阶段，抑制其进行，势必影响产氢产酸的稳 定性，此外，产氢产酸阶段的末端产物有机酸的积累也会减慢产氢速率。清华大 学竺建荣”等对厌氧活性污泥的产氢产乙酸细菌研究也表明，产氢起终于厌氧消 化的第二阶段。 1 9 8 6 年，瑞一j c d e n a c 等人“”通过糖蜜废水厌氧降解动力学模型实验，得出单糖 r 昆明理工大学硕士学位论文 厌氧降解各阶段c o d 分布，单糖c o d 的3 0 降解产生h ：和c o z ，8 生成丙酸盐和丁 酸盐，6 2 生成乙酸盐，其中有3 的丙酸盐和丁酸盐在产氢产乙酸菌的氧化作 用下生成h ：和c o ：，两种方式产生的h ：用于还原c o ：产甲烷。在整个过程中约有3 3 的单糖c o d 转化为h ：，如图2 3 。因此，在酸性条件下抑制产甲烷作用，利用单糖 产氢大约可获得3 0 转化率。 图2 3 单糖厌氧降解各阶段c o d 分布 f i g 2 3n ec o dd i s t r b u t i n gi nt h ed i f f e r e n tp h a s e so f m o n o s a c c h a f i d ed e g r a d a t i o n 2 2 4 碳水化合物的厌氧发酵途径及产氢模式 ：厌 ： 氧 ： 水 ： 解 i ： lj e i il摹 ：酸 产 田 烷 在碳水化合物的整个发酵途径中，通过糖酵解( e m p 途径) 形成的丙酮酸是关 键的中间产物。由于产氢细菌大多缺乏细胞色素。“，在厌氧的条件下，其电子传 递不能按一般的氧化磷酸化过程进行，e m p 途径产生的丙酮酸无法进入三羧酸循 环而被彻底氧化为c o ：和h 。0 。“，而是在乙酰辅酶a 和还原型辅酶i ( n a d h ) 的作用下， 通过发酵，按不同途径形成乳酸、丁酸、丙酸、乙酸以及乙醇等末端产物，如图 2 4 。与此同时，氧化型辅酶i ( n a d h + ) 的再生是在酸性条件，除了与形成上述有 机酸耦合外，多余的n a d h 则在铁氧还原蚤白酶的作用下，通过脱氢系统和n a d h + n a d h 的平衡调节两种方式产氢”。 有机废水生物制氢技术基础研究 c 0 2 己酵 口啊粼n “”“ 妻蕊碧 邸圳 d h r q 刀厶目 、一r 加m 拶埘 t 。l 桫 妒4 n d 聃f h i ) 、咯， s 竺拳 吣猫 d 夕：n 洲+ r 睡 尹2 a d p 2 x 邸2 ：砰 r 艘 2 t h内醴 f d 铁氧还蛋白 图2 4 碳水化台物厌氧发酵途径 f i g 2 4t h ea n a e r o b i cf e r m e n t a t i o nr o u t eo fc a r b o h y d r a t e 2 2 4 1e m p 途径中的丙酮酸脱羧产氢 发酵细菌体内缺乏完整的呼吸链电子传递体系，发酵过程中脱氢作用所产生 的“过剩”的电子，必须有适当的途径得到“释放”，使物质的氧化与还原过程 保持平衡，以保证代谢过程的顺利进行。通过发酵途径直接产生分子态的氢，是 某些微生物为解决氧化还原过程中产生过剩电子所采取的一种调节机制”“。丙 酮酸是发酵产氢过程中的核心中间产物，经过e m p 途径产生的丙酮酸，按两种方 式直接产生分子态的氢： a 、梭状芽孢杆菌的丙酮酸产氢：酮酸首先在丙酮酸脱氢酶的作用脱羧，形 成硫胺素焦磷酸一酶的复合物，同时将电子转移给铁氧还蛋白，还原的铁氧还蛋 o 白被铁氧还蛋白氢化酶重新氧化，产生分子态的氢( 如图2 5 一a ) 。 b 、道杆菌的甲酸裂解产氢：酮酸脱羧后形成甲酸和乙酸，然后在铁氧还蛋 白酶和氢化酶作用下，甲酸的一部分或全部转化为氢气和二氧化碳。( 如图2 5 一b ) 。 1 0 昆明理工大学硕士学位论文 图2 5 通过丙酮酸产氢的两种方式 f i g 2 5t w o r a c c h a n i s r no fp r o h y d r o g e nt h r o u g hp y r o v i ca c i d 2 2 4 2 辅酶i 的氧化还原调节平衡产氢 碳水化合物通过e m p 途径产生的还原型辅酶i ( n a d h + h + ) ，一般通过与一定比例 的丙酸、丁酸、乙醇或乳酸发酵相耦联丽被氧化为氧化型辅酶i ( n a d + ) ( 如图2 4 ) 从而保证代谢过程中n a d h + h + n a d + 的平衡。这是形成各类发酵类型的重要原因 所在。生物体内的n a d h + h + 和n a d + 的比例是定的，当n a d h + h + 的氧化过程相对于 其形成过程较慢时，必然造成n a d h + h + 的积累。为保证生理代谢的正常进行，发酵 细菌可以在n a d h 脱氢酶作用下，通过释放的m 方式将n a d h + h + 氧化( 如图2 4 ) 。 其反应式如下， nadh+d堂型虬nad+hnadh+h ：( a q ) + 一n a d + + ：) g ；a g 。+ r t i n ! 些：! 生 n a d h4 h + 在标准状态下( 压力= i 0 1 3 k p a 、t = 2 9 8 k 、p h = 0 ) a g o = 一2 1 8 4k j m o l ， 反应能自发进行，可是在实际p h = 0 时，产氢菌已无法进行正常代谢；在生理标准 下( 压力= 1 0 1 3 k p a 、t = 2 9 8 k 、p h = 7 ) a g o = + 1 8 1 2 k j m o l ，反应不能自发进 行，但有研究表明，在铁氧还蛋白氧化还原酶和铁氧还蛋白氢化酶作用下，该反 应是能够进行的”“。 p a d a n 等人“2 1 在研究中发现，环境中p h 在5 5 9 o 范围内变化时，大肠杆菌 ( e s c h e r i c h ic o l ，) 体内的p h 始终维持在8 0 左右。1 9 7 9 年a d a m s 等“”在大肠杆 1 1 有机废水生物制氢技术基础研究 菌体内发现了一种膜结合氢化酶( m e m b r a n e - - b o u n dh y d r o g e n a s e ) 。这种氢化 酶与细胞膜紧密结合在一起，由两个分子量为113 0 0 0 的亚基组成，并证明其一 与氢的释放相关，最适p h 为6 5 ，另一个则与氢的吸收有关，最适p h 为8 5 。因此， 可以认为膜内氢化酶的两个亚基上分别存在着一个活性中心( a c t i r es i r e ) ，一 个位于细胞膜内侧，可与n a d h 相互作用，另一个位于细胞膜外侧，可与质子相互 作用，这一作用过程可用图2 6 表示”： 图2 6 氢化酶活性中心示意 f i g 2 6h y d r o g e n a s