有机垃圾厌氧发酵产氢技术研究进展

1引言人们一直以来把城市固体垃圾（MSW）叫做有机垃圾，是因为MSW中的有机成分比较大，含水量高，容易生物降解。但是对有机垃圾更加准确的定义应该为城市固体垃圾的有机成分（OFMSW），这样才能把有机垃圾跟一般的建筑垃圾、塑料废物等区别开来。我国对城市垃圾的处理主要是填埋，约占全部处理量的70%以上；其次是高温堆肥，约占20%以上；焚烧量甚微[1]。而据荣波等[2]对北京宣武区生活垃圾成分分析表明，该区生活垃圾适合堆肥、焚烧和填埋处理的垃圾成分所占垃圾总量的比例为43∶13∶44和40∶19∶41，且目前北京市生活垃圾处理方式很不合理，三种处理方式所占比例为4.6∶5.8∶89.6，没有对生活垃圾真正做到减量化、资源化和无害化。因此，如何改善我国垃圾处理方式是提高环境质量的重要一步。有机垃圾的厌氧发酵是国内外比较通行的处理方法，因它能较高效率地降解有机物质，而且通过厌氧发酵中产生的高温能杀死大量致病菌，并且发酵以后的底物能做很好的肥料。传统的厌氧发酵一般是以获取甲烷为目的，给人们带来很大的好处。很多年以来，人们一直认为甲烷是清洁的燃料，产生CO2和H2O，但是近年来很多研究指出甲烷能导致温室效应，并且效果比CO2大23倍多[3]。这就意味着，如果在甲烷发酵中处理1t有机垃圾，就等同于减少261kg的CO2进入大气[4]。同时，通过甲烷发酵来降解有机垃圾，其降解程度一般为75%~78%，不能完全降解有机垃圾，如果把降解后的底物直接作用于田地或堆放的话，很可能造成病菌传播。利用有机垃圾厌氧发酵产氢气是近年来研究的新领域。很多燃料如石油因为其有限性和对环境的污染性（如CO2、CO、CnHm、SOX等），很有必要采用一种新的无污染的能源代替品。氢气由于其清洁、可更新利用、高产能，是石油燃料的很好代替品。1g氢气能产生122kJ的能量，是碳水化合物燃料的2.75倍，并且它通过燃料电池能直接发电。据报道，全球每年有5000万t氢气交易，而且以将近10%的年增长率攀升。根据美国国内氢气计划，到2025年为止，氢气对能源市场的贡献将达到8%~10%。本文就生物产氢的现状入手，细致地对厌氧发酵产氢的原理、机理，各个参数对发酵过程的影响等进行了叙述，旨在了解厌氧发酵产氢研究背景下，找出存在问题，为以后的研究有所帮助。2生物制氢方法生物制氢法最先是由Lewis于1966年提出的，20世纪70年代人们开始研究[5]。生物制氢主要有三种方法：（1）藻类对水的生物光分解；（2）在酸性条件下厌氧消化有机物质的暗发酵产氢，也就是一般所说的厌氧发酵产氢；（3）两阶段（暗/光）发酵产氢。2.1藻类生物光分解水制氢藻类通过光合作用裂解水分子为氢离子和氧有机垃圾厌氧发酵产氢技术研究进展王建民（天津市化工设计院，天津300193）摘要：利用有机垃圾产氢的研究逐渐兴起，人们利用有机垃圾产氢既可以最大程度地使有机垃圾资源化，减少环境的污染，又可以通过无污染氢气的获得改善能源市场，缓解能源的压力。本文分析了国内外厌氧发酵产氢的技术现状；以厌氧发酵产氢的原理和机理入手，讨论微生物、发酵过程、过程参数等对产氢效率和速率的影响；最后还对厌氧发酵产氢的可行性进行研究。关键词：有机垃圾；厌氧发酵产氢；有机酸中图分类号：X382.1文献标志码：Ａ文章编号：1008-1267（2008）05-0018-03收稿日期：２００8－01－11第２２卷第5期２００８年9月Ｖｏｌ．２２Ｎｏ．5Sep．２００８天津化工ＴｉａｎｊｉｎＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙ王建民：有机垃圾厌氧发酵产氢技术研究进展气，氢离子再通过氢化酶的作用生成氢气。莱因哈德衣藻就是一种常见的产氢藻类。另外，从绿藻斜生栅列藻，海洋绿藻海洋绿球藻，亚心形扁藻和小球藻中发现了氢化酶活性。异型细胞丝状圆桶项圈藻是较有名的产氢类蓝绿藻，然而，由于具有较高的产氢能力，多变鱼腥藻近年来受到更大的关注[5]。但是相对于暗发酵或者光发酵来说，多变鱼腥藻所产生的氢气就显得少了。然而，在利用藻类进行产氢的过程中，不断增加的氧气对产氢酶的限制很大，在藻类的光照培养过程中增加一个2~3d的去硫反应能有效的提供一个厌氢的环境[6]。低产氢和无废物利用是藻类产氢的其他缺点。因此，暗发酵或者光发酵由于其产氢的同时能处理废物而显得比较流行。2.2暗发酵产氢很多厌氧微生物能够通过富含碳水化合物的有机垃圾产氢气，这些微生物包括梭菌类中的丁酸梭菌、类腐败梭菌M-21、高温梭菌、巴氏梭菌等，这些梭菌都是严格厌氧的。梭菌在指数生长期产氢，有研究表明中温污泥发酵产氢过程中梭菌种群占了64.6%[7]。另外，肠杆菌科细菌，好氧菌如气胞菌属、假单孢菌属、弧菌属，厌氧如放线菌属等都具有产氢能力。研究还发现有些菌属如高温厌氧细菌能在厌氧高温下产氢气，而热解糖梭菌能在58℃从乳糖中