利用有机废弃物的发酵产氢

摘要：利用有机废弃物进行发酵产氢，在实现有机废弃物减量处理、资源化、降低污染的同时.可以氢能的形式再生能源。针对有机废弃物发酵产氢，总结了目前国内外在该领域的研究成果.论述了发酵产氢微生物的种类.详细介绍了有机废弃物的产氢过程、机制、主要影响因素，着重分析了利用有机废弃物进行发酵产氢时存在的问题及其解决方法。
关键词：发酵产氢；有机废弃物；机制；微生物
1引言
能源和环境污染问题一直是世界关注的焦点。随着经济发展，人们环保意识的增强，生产和生活过程中产生的有机废弃物处理日益受到人们的关注。有机废弃物包括生活有机垃圾(城市垃圾、人粪尿等)、农业有机垃圾(如作物秸秆、菜根菜叶等)、畜牧业有机垃圾(畜禽粪便等)和工业有机废料(如食品加工业废弃物、化工废弃物等)。目前，我国有机废弃物的产生量居世界前列，且大部分未经过无害化处理，裸露堆置，日晒雨淋，天长日久产生大量氨气、硫化氢等污染物，严重污染环境。从另一角度来看，这些有机废弃物含有大量可以生物降解的有机质，是一种可再生利用的资源。如能有效地利用这些有机质，可以在处理废弃物、满足环境保护要求的同时，充分回收、利用有机废弃物中存在的生物质能，实现资源的循环利用。对有机废弃物进行厌氧发酵，当条件适当时有氢气产生。氢是一种清洁能源，其燃烧值高，且燃烧后只产生水，不造成任何环境污染，被誉为未来世界的最佳二次能源。氢能作为一种未来的清洁能源日益受到世界各国的重视。
目前国内外已开始利用有机废弃物进行发酵产氢的研究，但是这些研究大多还处于实验室阶段。本文将重点论述发酵产氢微生物、有机废弃物的产氢过程及其机制、影响因素，并对利用有机废弃物进行发酵产氢时存在的问题进行了详细分析，探讨了解决的途径，以期为有机废弃物发酵产氢的研究提供有价值的数据。
2发酵产氢微生物
目前微生物的发酵产氢主要有2种方式：一是采用纯菌种进行发酵产氢，二是采用混合菌(活性污泥)进行发酵产氢。有机废弃物的发酵产氢大多采用后者，但也有少数采用前者，例如Wang等[21利用梭状芽孢杆菌进行废弃活性污泥发酵产氢。能够进行发酵产氢的微生物有许多，如Clostridium，Enterobacter，Escherichia，Citrobacter,，Bacillus，Desulfovibrio和Methanoge，等，但是出于产氢速率、产氢率等的考虑，目前的研究大多集中在以下3类微生物：严格厌氧的梭菌属（Clostridium）、高温古细菌(Archaebacterium）和兼性厌氧肠细菌属（Enterobacter）。
2.1梭菌属（Clostridium）
在许多环境中可以发现梭菌属微生物，如土壤、下水道污泥、人和动物的肠道中，这类微生物能够产生孢子，对环境条件有很强的耐受力。由于缺乏参与氧化磷酸化的细胞色素系统，这类微生物只能通过基质水平磷酸化产生ATP。早在20世纪60年代，Magna公司就已开始利用C.Butyricum和Cwelchii进行发酵产氢。梭菌属微生物能够利用许多物质进行发酵产氢，如葡萄糖、木糖、淀粉、纤维素、剩余活性污泥等。梭菌属在发酵产氢过程中，当进行乙酸发酵时，最大理论值氢产率4mol（H2）/mol（葡萄糖），而进行丁酸发酵时，理论值氢产率只有2mol（H2）/mol（葡萄糖）。通常，梭菌属微生物的发酵产氢是一种混合发酵，即同时有乙酸发酵和丁酸发酵，底物的产氢量可通过丁酸／乙酸比进行估计。
2.2高温古细菌（Archaebacterium）
高温古细菌是性质十分特殊的一类细菌，它们可利用性质完全不同的有机物，例如糖类、肽类、醛类、丙酮酸及α-酮戊二酸等，在100℃高温条件下进行异养生长并产生氢气。Ma等在对古细菌Pyrococcusfuriosus研究中发现，这种菌能将肽和碳水化合物等有机物质通过发酵作用转化为有机酸、CO2和H2。
Schroder等发现Thermotogamaritima在80℃下能利用葡萄糖进行发酵产氢，其批量产氢率达4mol（H2）/mol（葡萄糖）（等于梭菌属进行乙酸发酵时的理论值）。
2.3肠细菌（Enterobacter）
与前2类微生物相比，肠细菌进行发酵产氢有3个优点：一是肠细菌的生长速度快，可利用的碳源范围广；二是肠细菌的产氢不受生境中氢分压的影响；三是由于能够迅速消耗生境中的氧，恢复产氢能力，氧的存在对其没有影响，因而没有脱气除氧的必要。然而，肠细菌的氢产率通常低于前2类微生物。例如，从Mirabilisjalapa叶中分离得到的E.aerogenesE.82005在批量培养时，其葡萄糖的氢产率仅1.0mol（H2）/mol，而进行连续培养时，果糖的氢产率也仅1.5mol（H2）/mol。
这些产氢微生物发酵有机物产生氢气的途径有4种：一是EMP途径中的丙酮酸脱羧产氢，在丙酮酸脱羧脱氢生成乙酰的过程中，脱下的氢经铁氧还原蛋白的传递作用而释放出分子氢；二是NADH／NAD+氧化还原平衡调节产氢气；三是产氢产乙酸菌的产氢作用；四是NADPH作用生物产氢。
3有机废弃物的发酵产氢过程及机制
能够用来发酵产氢的有机废弃物可分3类：液态废弃物（如各类食品废水和高浓度有机废水中的有机物）、固态废弃物（如秸秆、城市垃圾、酒糟、榨油花生饼）和半固态废弃物（污泥、粪便）。表1总结了近年来部分有机废弃物发酵产氢的研究。