污泥发酵制氢技术的现状和展望

收稿日期:2007207218修回日期:2007211206项目来源:国家自然科学基金项目(50478054);国际科技合作重点项目(2004DFA06200);长沙市科技计划重点项目(K051132-72)作者简介:李宇亮(1984-),男,硕士研究生,研究方向为污泥的厌氧处理及环境生物技术。通讯作者:李小明,E-mail:xmli@hnu1cn污泥发酵制氢技术的现状和展望李宇亮,李小明,郭亮,曾光明,杨麒,廖德祥(湖南大学环境科学与工程学院,湖南长沙410082)摘要:运用厌氧发酵产氢技术处理污泥制取氢气的研究在国内外已经受到了广泛的关注。本文归纳并分析了厌氧发酵生物制氢的原理、厌氧发酵产氢的途径及其影响因素,并结合国内外研究现状对该技术的应用发展前景进行了探讨。关键词:污泥;厌氧发酵;产氢中图分类号:TK91;S216文献标识码:A文章编号:1000-1166(2008)01-0003-06CurrentStatusandProspectsinProductionofHydrogenfromSludgeThroughAnaerobicFermentation/LIYu2Liang,LIXiao2Ming,GUOLiang,ZENGGuang2Ming,YANGQi,LIAODe2Xiang/(SchoolofEnvironmentScienceandEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China)Abstract:Hydrogenproductionfromsludgethroughanaerobicfermentation(AF)wasextensivestudiesbyresearchersworldwide.Fundamentofhydrogenproducingfermentations,pathwaysandtheinfluencingfactorsweresummarizedinthispaper.Thedevelopmentandprospectsofthisfieldwerediscussedinviewofpresentsituationinresearchandapplicationathomeandabroad.Keywords:sludge;anaerobicfermentation;hydrogenproduction氢能被誉为未来的“清洁能源”[1]。它本身可再生,燃烧时只产生水,而不产生污染物,可实现真正的“零”排放。同时,氢以水的形式大量存在于地球上,储量十分丰富。能量密度高,是汽油的2175倍,热转化率也很高。因此,它最有希望成为未来人类的清洁能源。目前,制氢的方法很多,如煤、焦碳气化制氢,天然气或石油产品转化制氢,太阳能制氢,水分解法制氢,水电解制氢,水煤气转化制氢,甲烷裂解制氢,以及各种工业生产的尾气回收或氯碱工厂的副产氢的回收等。这些方法有的要消耗大量的电能,有的则需利用大量的天然气、煤和石油等化工燃料[2]。按照未来清洁能源的要求,尤其是改善生态环境的要求以及制氢成本等进行选择,上述方法中还没有一种能被人们认为是“满意”的符合要求的方法。生物制氢是目前研究进展最快并很有希望进行规模化生产的一种制氢方法。由于其使用的原料低廉,生产过程清洁、节能,且不消耗矿物资源,正越来越受到人们的关注。生物制氢技术包括光驱动过程和厌氧发酵两种路线,前者利用光合细菌直接将太阳能转化为氢气,是一个非常理想的过程,但是由于光利用效率很低,光反应器设计困难等因素,近期内很难推广应用。而后者采用的是产氢菌厌氧发酵,它的优点是产氢速度快,反应器设计简单,且能够利用可再生资源和废弃有机物进行生产,相对于前者更容易在短期内实现[3～4]。例如,利用污泥来制取氢,不仅可以将在城市污水处理中产生的大量剩余污泥无害化、减量化,从而减少对环境的污染,还可以产生氢气,缓解能源危机,这是一举两得的事情。1厌氧发酵产氢的原理和途径111厌氧发酵产氢细菌Gray和Gest(1964)在Science杂志上发表的一篇生物产氢发酵机理的综述,奠定了产氢发酵细菌研究的基础。他们按照形成氢所需电子供体的不同将产氢发酵细菌分为了三类:11兼性厌氧产氢发酵细菌,如大肠杆菌,它以细胞色素微电子作供体,通过甲酸裂解产氢,甲酸的前体是丙酮酸;2.专性厌氧3中国沼气ChinaBiogas2008,26(1)产氢发酵细菌,如丁酸梭菌,它不含细胞色素型电子供体,通过丙酮酸或丙酮酸式二碳单位产氢;3.特殊类型的产氢发酵细菌,实际上这类发酵菌属于第1类和第2类之间的过渡类型,如脱硫弧菌,在五硫源的条件下代谢产氢。产氢发酵细菌的种类很多,主要包括梭菌属(Clostridium),类芽孢菌属(Paeniba2c