利用废水和固体废弃物中有机质发酵产氢研究进展

利用废水和固体废弃物中有机质发酵产氢研究进展蔡木林刘俊新3(中国科学院生态环境研究中心水污染控制技术研究室,北京100085)摘要总结了发酵法产氢的机理、微生物种类、产氢菌的富集方法,综述了利用废水和固体废弃物中有机质生物发酵产氢的最新研究进展及存在的问题。关键词生物产氢发酵法产氢废水和固体废弃物利用ProgressofstudiesonbiologicalhydrogenproductionbyanaerobicfermentativeprocessutilizingwastewaterandsolidwastesCaiMulinLiuJunxin(DepartmentofWaterPollutionControlTechnology,ResearchCenterforEco2EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085)AbstractInthisarticle,thestate2of2artofstudiesonthefermentativehydrogenproductionfromwastewaterandsolidwastesaresummarized,andthemechanismoffermentativehydrogenproduction,themainmicroorganismsandenrichmentmethodsfromnaturalmicrofloraareoutlined.Keywordsbiologicalhydrogenproduction;fermentativebiohydrogen2production;utilizationofwastew2atersandsolidwastes基金项目:国家自然科学基金资助项目(20277034)收稿日期:2003-07-29;修订日期:2003-09-23作者简介:蔡木林(1975～),男,博士研究生,主要研究方向:污水处理及资源化研究。3通讯联系人,E2mail:jxliu@mail.rcees.ac.cn1引言氢气(H2)是清洁能源,燃烧热值高,每克氢燃烧后能放出142135kJ的热量,为汽油的3倍,酒精的319倍,焦炭的415倍[1]。氢气燃烧只产生水,不排放任何的有毒有害气体。氢气可以储存于金属化合物和某些新型的纳米材料中并通过燃料电池的方式应用于很多领域,如福特和丰田等公司先后推出以燃料电池为新型动力的环保型概念汽车[2,3]。氢气的获取途径主要有:(1)利用化石燃料制氢的方法,包括天然气的重组、天然气的热裂解、石脑油等碳氢化合物的部分氧化以及煤的气化等;(2)从水中获取氢气的方法,如水的电解、光解、热化学分解和直接热分解等;(3)生物法产氢[4]。从目前世界氢产量来看,96%是由天然的碳氢化合物———天然气、煤和石油产品中提取的,4%是采取水电解法制取的[5]。工业用氢大多是通过煤的气化和水的电解方式,但这2种方式都需要消耗大量的化石燃料而且对环境不利。生物产氢的方法则只需消耗较少量的能量且对环境无害。因此,生物产氢技术的研究受到了世界各国的普遍重视,包括英国、荷兰、加拿大、印度、意大利和中国都相继在生物产氢领域开展了研究。生物产氢的方法可分为细菌发酵法和光合生物法。细菌发酵法无需光照条件、具有更高的产氢效率、更易于实现工业化。发酵法产氢可以与废水和固体废弃物处理相结合,利用其中的有机质产氢,既有效地处理了废弃物又获得了氢能,可降低制氢成本。因此,近十年来各国学者对发酵法产氢的研究逐渐增多,已成为产氢领域的一个研究热点。2细菌发酵产氢机理发酵产氢细菌的产氢过程可概括为以下3种途径[7,8]:第1种是丙酮酸脱羧作用产氢,丙酮酸首先第5卷第6期环境污染治理技术与设备Vol.5,No.62004年6月TechniquesandEquipmentforEnvironmentalPollutionControlJun.2004©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net在丙酮酸脱氢酶的作用下脱羧,将电子转移给还原态的铁氧还蛋白(Fdred),然后在氢化酶的作用下被重新氧化成氧化态的铁氧还蛋白(Fdox),产生分子氢(见图1);第2种是通过甲酸裂解的途径产氢,丙酮酸脱羧后形成的甲酸以及厌氧环境中CO2和H+生成的甲酸,通过铁氧还蛋白和氢化酶作用分解为CO2和H2(见图2);第3种是通过辅酶Ⅰ(NADH或NAD+)的氧化还原平衡调节作用产氢,其反应式如下所示:图2甲酸裂解产生H2过程Fig12Hydrogenproductionbyt