污泥厌氧发酵产氢研究进展*

.福建师范大学地理科学学院；.福建能源集团福建华厦建筑设计院；. 福建师范大学环境科学研究所 刘常青 陈娜蓉 郑育毅 张江山**



污泥厌氧发酵产氢研究进展*

1.福建师范大学地理科学学院；2.福建能源集团福建华厦建筑设计院；3. 福建师范大学环境科学研究所 刘常青1陈娜蓉2郑育毅3张江山3**

生物制氢可有效利用生物能源，并可减少有机废弃物对环境的污染及对化石燃料的使用，具有高效、节能、成本低等诸多优点，污泥作为有机废物产氢近年来颇受青睐。该文较全面地介绍了国内外以污泥作为接种物，以纯物质、有机废水以及有机固体废物作为基质的研究概况，同时也介绍了污泥本身作为基质进行产氢的概况。

污泥 生物制氢 厌氧发酵 研究进展

1 前言

有限储量的化石燃料在不断减少、能源需求在不断增长以及化石燃料燃烧造成的环境污染和温室效应日益严重，21世纪的能源面临着巨大挑战。思考未来能源的发展方向，积极寻找化石能源的替代品，许多人把眼光投向了可再生能源——氢气。

在对新能源的研究中，清洁、高效、廉价一直是研究者所追求的目标。氢是一种理想的清洁能源，它的热值高，最高达3042cals/m3，热转化率也很高，而且能量密度很高，是普通汽油的3倍，这意味着燃料的自重可减轻2/3。但氢能属于二次能源，在人类生存的地球上，很少有集中的自然氢存在。含氢元素的主要资源有水、化石燃料和生物质[1]。从化石燃料制氢，即以煤、石油及天然气为原料制取氢气是当今制氢的主要方法[2]。化石燃料利用带来的环境污染几乎无法逆转，而且资源有限，作为化工的主要原料已消耗掉大量的矿物资源，如通过重油裂解或天然气蒸汽重整制取氢气来合成氨或甲醇等。水电解制氢的技术已经成熟，但能耗较高，目前生产每立方米的H2电耗为4.5～5.5kW·h 左右。电作为另一种高品质的二次能源，由一次能源的转化效率本来就很低，因而除了在具有廉价的大规模水力发电和电力过剩的情况以外，电解水制氢的成本相当高。与物理化学方法相比，生物氢气的生产可有效利用生物能源，并可减少有机废弃物对环境的污染以及对化石燃料的使用，具有高效、节能、成本低等诸多优点而备受关注。生物制氢已成为近年来日本、美国等一些发达工业国关注的热点研究领域之一。但正在开发和研究的各种生物制氢技术，仍停留在实验阶段。

污泥作为有机废物产氢近年来备受青睐，污泥产氢，包括直接作为基质产氢以及作为接种物产氢。

2 纯污泥产氢研究现状

培养产氢污泥是进行厌氧发酵产氢试验研究的基础和关键。污泥是多种微生物的混合体，既有产氢微生物又有嗜氢微生物。在厌氧发酵过程中，产氢微生物所产生的氢气会迅速为嗜氢微生物所利用。但是一些产氢微生物能形成芽孢，其耐受不利环境条件的能力比普通的微生物强。利用这两类微生物生存条件的差异，通过预处理（如热处理、酸处理和碱处理等）抑制污泥中的耗氢微生物，达到筛选产氢微生物的目的。另外，在污泥发酵过程中污泥水解是限速步骤[3,4]。污泥中的有机物大部分是微生物物质，为细胞壁所包裹，限制了污泥的厌氧消化。通过采用适当的预处理，也可以破坏微生物细胞壁使有机质融出，改变污泥中有机物的可利用性，提高污泥厌氧消化的效率[5-7]。目前常用的预处理方法主要有热水解、化学处理、机械破碎、超声破碎、酶水解等。

陈文花等人[8]研究热处理方式对污泥产氢的影响。结果表明热处理具有很好的融胞效果，经处理后，污泥中可溶蛋白质为原污泥的6.4~8.9倍，溶解性糖浓度为原污泥的1.6~7.9倍。该污泥在最佳条件下，累积产氢量、产氢速率和产氢潜能分别为20.19mL、1.22mL/h和3.7mL/gVS，分别较原污泥提高了14倍，11倍和16倍。热处理污泥厌氧发酵产氢过程有机物的降解主要是蛋白质，其次是糖。

刘常青等人[9]，通过批量试验系统研究了酸性预处理污泥厌氧发酵产氢情况。研究结果表明：酸性预处理不仅对耗氢菌起到抑制作用，也能起到一定的融胞作用，pH=2.0酸性预处理污泥中溶解性糖和溶解性蛋白质的浓度分别为原污泥的3.1和9.9倍。最佳的酸性预处理条件为调整原污泥pH=3.0。此外还系统考察了不同初始pH值对酸性预处理污泥厌氧发酵产氢的影响。研究表明[10]，初始pH为11.0时，甲烷菌受到明显抑制，而产氢菌仍然活跃，总体产氢量最高。

蔡木林[11]等人研究了污泥经碱处理后的产氢潜能。研究结果表明，将污泥经过碱处理或调节较高初始pH值(11.0)的条件下，进行厌氧发酵可以有效抑制产甲烷化过程；碱处理污泥所获得的产氢率比原污泥高出1倍左右，约为16.9mL/g。

肖本益等[12]利用热、碱处理污泥产氢，其中碱处理污泥发酵产氢的最佳起始pH值为11.0，其最大产氢率(H2/VS)为14.4mL/g(VS)。在碱处理污泥的发酵产氢过程中，污泥的pH值变化较小，VFA的产生量和组成受污泥起始pH值的影响，乙酸是污泥发酵过程中产生的VFA的主要成分。Wang等[13]利用灭菌和冻融预处理污泥，产氢量(H2/COD)达到115～211mmol/g。.

谢波等[14]研究了Pseudomonas sp.GL1利用多种预处理（灭菌、微波和超声波）污泥的产氢效果，并对污泥发酵过程中底物性质变化进行探讨。产氢菌Pseudomonas sp.GL1发酵各预处理污泥过程中均只有H2和CO2产生，无CH4。3种不同预处理的污泥在同等条件下发酵，灭菌污泥的产氢效果最佳，氢气含量高达81.45 %，产氢率为30.07mL/g。不同预处理污泥方式对产氢延迟时间有一定的影响：超声波处理污泥产氢延迟时间最短，为3h；灭菌污泥最长，为15h；微波预处理污泥居中，为12h。发酵过程对污泥中营养物质的利用主要是乙酸和丁酸，灭菌污泥发酵产生的VFA只有乙酸和丁酸，各占VFA总量的66.1%和33.9%；微波预处理污泥中，乙酸、丁酸占VFA总量的88.1%和5.3%；超声波预处理污泥中，乙酸、丁酸分别占VFA总量的74.4 %和12.7%。可见乙酸和丁酸均是VFA的主要组成成分，属于丁酸型发酵，但又与碳水化合物(如葡萄糖、糖蜜等)发酵产氢时丁酸为VFA主要成分不同[15,16]。这主要是由于预处理污泥发酵产氢时底物是复杂的混合物，其中含有多种有机物，如蛋白质碳水化合物和脂类。这一结果与Cai等[16]研究一致。

污泥经过各种预处理后有机物质含量有所提高，增加的这部分有机质提高了产氢能力，但还是远远低于其他基质的产氢能力，纯污泥进行厌氧消化在工程上是行不通的。但据大量的研究证明，污泥与其他基质联合后产氢能力大大增强。

3 以污泥作为接种物的产氢研究现状

早期生物制氢的研究主要集中在利用纯菌发酵制氢上。利用纯菌产氢，底物和反应器都需要高温消毒灭菌，配制培养基还需要大量昂贵的营养物质；为保证连续流产氢反应器内较高的细菌浓度，通常需要大量的载体和固定剂，而且固定化技术复杂，固定化后的细菌传质阻力增大，对产氢有一定的影响；纯菌在不断产氢过程中，比较容易发生变种，甚至被污染，出现产氢能力逐渐降低，需要定期更换新的细茵，同时需要配套的纯菌的分离、鉴定和扩大培养等设备，生产成本很高。进入20世纪90年代中期，人们逐渐把生物制氢的热点由利用纯菌的厌氧发酵转移到利用混合菌的厌氧发酵上来，其中以污泥作为接种污泥更是成为研究的主流。

一般来说，可用于生物发酵产氢的基质应具备以下几项特点：(1)碳水化合物的含量较高；(2)资源丰富且廉价；(3)具有较高的能量转化率等。目前，生物发酵产氢的研究中所利用的基质非常广泛，主要包括：①单纯的糖类，如葡萄糖、蔗糖、木糖、阿拉伯糖以及麦芽糖，淀粉等；②有机废水，如糖蜜废水、蔗糖生产废水、酿酒废水以及淀粉生产废水等；③有机固体废弃物，如城市固体有机垃圾、餐厨垃圾、柑橘皮、豆腐生产残渣、食品加工的边角料污水厂剩余活性污泥等[17]。

近十年来世界各国对发酵法生物产氢的研究日益增多，研究者对各种具有生物产氢潜力的基质更是进行了大量的研究。

3.1 纯基质的研究概况

目前，对利用纯物质作为产氢基质的研究较多，其目的主要是研究各种产氢菌的特性、最佳产氢条件以及探讨产氢的机理。

Lin等[18]以厌氧的恒化反应器进行连续流产氢实验，细菌为用活性污泥经驯化的厌氧产氢污泥，葡萄糖为实验用底物。实验结果表明：在最佳条件pH 5.7，污泥停留时间(SAT) 0.25d、有机负荷为416 mmol-glucose/L/d时，发酵1mol葡萄糖可产生1.7mol氢气。

Osamu等以葡萄糖为基质，利用混合菌产氢，比产氢率为1.43mol(H2)/mol(葡萄糖)[19]，Fang等2.1mol(H2)/mol(葡萄糖)[20]，樊耀亭等以蔗糖为基质，厌氧活性污泥发酵产氢，其比产氢率为2.23mol(H2)/mol(葡萄糖)[21]。这些研究基质的质量浓度一般在5～30g/L。吴薛明等人以高浓度蔗糖为基质模拟有机废水，通过对活性污泥的梯度驯化，提高活性污泥对高糖溶液的代谢能力与产氢能力。优化后的活性污泥平均产氢速率达到565mLH2·L-1·h-1，比优化前提高了223%，比产氢率为3.04mol(H2)/mol(葡萄糖)，比优化前提高了30%。由此得到的处理高基质浓度的活性污泥，其处理能力为一般水平的2.5倍以上[22]。

3.2 有机废水的研究概况

随着人们对环境的重视以及一次性能源的逐渐减少，各种废弃生物质资源的处理处置逐渐转向资源化，利用富含生物质的废水或固体废弃物的厌氧发酵处理产氢越来越受到重视，并逐渐成为当今生物产氢领域的研究热点。

任南琪课题组[23]采用连续流厌氧发酵法研究了糖蜜废水、淀粉废水与牛奶废水生物制氢。结果表明，糖蜜废水与淀粉废水都是较好的厌氧发酵法生物产氢底物；在3大类有机物中，碳水化合物是目前技术条件下最具有可能性的原材料。在碳水化合物中，溶解性好的糖比溶解性差的淀粉在目前的技术条件下具有生物产氢可行性，而淀粉比溶解性糖更具有产氢前景。不同底物厌氧生物制氢的生态位范围有所不同，对于溶解性好的糖，稳定运行的工程控制参数为pH4.5±0.3，而溶解性较差的淀粉废水为pH4.0±0.2；厌氧发酵产氢的ORP值总体必须低于-220mV，并随着底物的不同而不同，在-220mV～-300mV左右时较好。研究结果表明，牛奶废水不适用于作为CSTR反应器中发酵法生物制氢底物。

Lin等[15]成功地用热处理污泥发酵污泥碱水解物产氢，其氢产率(H2/TCOD)达到117g·kg-1。Ueno等[24]人利用制糖厂废水厌氧发酵产氢，分别获得的产氢速率为198mmol/L·d-1和34mmol/L·d-1。Lay[25]利用人工配制的淀粉废水发酵产氢，以3L的厌氧发酵反应器在控制37℃，pH5.2，HRT为17h，进水负荷6kg淀粉/m·d的优化条件时，最大产氢速率为1600L/m3·d，最大产氢率为1.29L/g淀粉。Yu[26]等人采用3.0 L上流式厌氧反应器处理酿酒废水产氢，分别考察了几个关键运行参数：当温度为55℃，pH5.5，HRT为2h，进水COD为34g/L时，产氢速率最大，为9.33L/gVSS·d，氢气产率为1.37～2.14mol/mol己糖。汤桂兰等人[28]在批式厌氧反应器中，以厌氧消化污泥作为天然产氢菌源，通过养殖场废水的厌氧发酵生产氢气。以上研究都还只停留在实验室小试的探索阶段。

任南琪课题组[27]在小试的基础上完成了发酵糖蜜废水产氢的中试研究，装置总体积为2m3，有效体积为1.48m3。中试结果表明，将运行参数控制在35℃，pH4.0～4.5，HRT为4～6h，ORP为-100～-125 mV，进水碱度300～500mg/L，容积35～55kgCOD/m3·d范围时，反应器最大持续产氢能力可达5.7m3/m3·d，其中去除1kg COD可获得26 mol的产氢量。

3.3 有机废物的研究概况

樊耀亭等人[29]在批式培养实验中以有机废弃物为原料，通过厌氧生物发酵制备生物氢气。以活性污泥为菌种来源，以淀粉为底物，在30L改进的UASB反应器中进行了放大实验，生物气中氢气浓度达40%～51%，CO2浓度为49%～60%，且没有检测到甲烷气体，生物气经碱液吸收后氢气纯度大于97%，持续产氢时间超过120d。

周俊虎等人[30]以厌氧活性污泥为接种物，以麦秆、稻草和滤纸为发酵底料，采用不同的预处理方法去除木质素，并提高纤维素的降解率。利用等量的经过NaOH预处理的麦秆和稻草，经纤维素酶解后在发酵产氢过程中的降解率分别为23.2%和12.5%，总产氢量分别为363.3mL和254.9mL，发酵产气中，氢气浓度分别为23.8%和29.1%。发酵液相中主要产物为乙醇、乙酸和丁酸。

Shin等[31]研究了餐厨垃圾与污水厂污泥混合厌氧发酵产氢效果。将污泥经过热处理后作为接种污泥，当餐厨垃圾与污泥的比例为83:17，挥发性固体的含量达到3.0％时，氢气的产率达到了122.9mL/gCOD，最大比氢气产率为111.2mL/gVSS·h，远超过了其他研究者的成果。对于产氢菌来说，有机氮源如蛋白胨或酵母膏是很好的营养源，而铵盐或尿素则效果不佳，污泥是富含蛋白质的有机废物，在餐厨垃圾中加入污泥能够提高系统的碳氮比，增加了产氢菌的氮源营养物质，因此氢气产量得到大幅度提高。

蒲贵兵等人[32]采用热预处理(80℃，15min)的城市生活垃圾厌氧消化污泥为接种物，考察了不同预处理方法对餐厨垃圾中温(36℃)批式发酵产氢的影响。

4 结语

目前，发酵法产氢技术存在的主要问题是氢气产率很低，只有理论氢转化率的20%～30%。而这一转化率只有达到60%～80%的情况下才算是一种经济可行的生物产氢技术。利用废水或固体废弃物的厌氧发酵产氢研究大部分都是实验室研究，工业化应用很少，只有任南琪课题组在小试研究的基础上进行了糖蜜废水发酵制氢的中试研究；固体废弃物产氢的工业化国内鲜有报道，因此在实验室研究的基础上如何尽快实现产氢的工业化是今后的发展方向。

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基金项目：福建省科技厅重点项目（2011Y00181）；福建省环保厅重点项目；福建省教委A类项目（JA08043）。

通讯联系人：张江山（1946~），男，研究员，主要从事环境生态数学模型研究，E-mail:jszhang@fjnu.edu.cn。