厌氧菌发酵生物制氢技术试验分析
摘 要：人类在面临、解决环境和能源危机问题上，研究了很多的方法。为更好地解决回收能源的问题，通过采用生物制氢技术就可以大量净化有机废弃物，这种能源利用的方法比较符合可持续发展的国家战略和经济的政策。厌氧发酵生物制氢技术可以实现如废物处理资源化，它稳定性好、产氢能力高，可以应用于对少数几种符合化合物以及单一化合物的研究，此技术拥有广泛的利用基质。如今，我国食品行业中发展最迅速的要数饮料行业，果汁饮料废水含糖量高的特点给厌氧发酵产氢提供良好的条件。文章分析了厌氧发酵生物制氢的影响因素以及在应用方面的缺点，作为一种具备极大潜力的新能源技术，围绕厌氧菌发酵生物制氢技术进行探讨。
关键词：厌氧发酵；生物制氢；果汁废水
厌氧发酵生物制氢越来越得到人们的关注和重视，与传统的制氢方法相比较而言，生物制氢技术对环境无污染，且能耗低。目前，人类面临的两大难题是环境污染与能源的不断减少。作为比较理想的载能体，氢气能够替代传统化石能源，它被广泛应用于玻璃、电子、冶金以及食品中。氢气对环境没有污染，水是其唯一的燃烧产物，且燃烧值高。其中，通过分解或者电解，水被生成氢气，氢气洁净燃烧、热密度大，被公认为可再生、高效、清洁的最具潜力的可再生绿色能源。在十九世纪，人们发现藻类和细菌能够产生分子氢。随着社会发展和时间的推移，人类才逐渐开始了各种生物氢技术和生物氢来源的研究。根据选用的微生物、产氢底物的不同，生物制氢的方法也各异。我们把制氢的方法分为：厌氧发酵制氢、光合细菌制氢、绿藻和蓝细菌制氢三种。其中，厌氧细菌在厌氧、黑暗条件下分解的有机物产生出氢气，我们将其称之为黑暗发酵产氢或者厌氧发酵产氢。厌氧发酵制氢的优点是其反应器的设计简捷、简单，产氢的速度快。它采用了产氢菌厌氧发酵，可以利用废弃有机物和再生资源进行生产。
1 厌氧菌发酵生物制氢
一直以来，人们对厌氧发酵制氢的基本原理的研究具有很高的热情，因为新创造和新思路的实现必须依据发酵制氢的原理。废品、垃圾等废弃物作为厌氧发酵的底物是常见的原料。厌氧发酵底物范围的广泛是能更有效地制氢的前提。葡萄糖在发酵的过程中的碳源，它生产出氢气、丁酸与乙酸。经过丙酮酸脱羧作用，产氢细菌直接产氢，其方式可分为两种：一是肠道杆菌型，丙酮酸脱羧后形成的甲酸部分或全部分裂解转换为H2与CO2，甲酸裂解产生H2的过程如图1所示。
图1 甲酸裂解产H2过程
二是棱状芽孢杆菌型，经过酮酸脱羧作用，丙酮酸形成酶的复合物--硫胺素焦磷酸，铁氧还蛋白被氢化酶重氧化，于是产生了H2分子，丙酮酸脱羧作用产生H2过程如图2所示。一般，选择发酵菌种标准为：宽的环境适用范围、高的氢气产率、高的底物转化率和宽的底物利用范围。而产氢菌种包括杆菌属、埃希氏肠杆菌属、棱菌属、杆菌属四类。一些检点的真核生物和原核微生物中存在氢酶，在氢酶的催化作用下，氢形成了氧化。按照氢酶的催化特性进行分类，可将氢酶分成双向氢酶、放氢酶和吸氢酶3类。双向氢酶技能催化放氢反应也可以催化吸氢反应，它依照氢酶所处的环境来表现催化性质。放氢酶表现为催化产氢反应。吸氢酶表现了催化吸氢反应。
图2 丙酮酸脱羧作用产生H2过程
从有机废水或含碳水化合物的工农业废弃物中直接由微生物获取氢气，其原材料可以从果品加工厂、饮料生产厂等生产过程中产生的废水和废弃物中得到。厌氧微生物可以降解劣质粮食、蛋白质、糖类的食物等。生物制氢的同时，还能够不同程度地处理、净化这些固体废弃物或废水等。厌氧发酵技术能够从有机废弃物中回收大量的甲烷，然后再以厌氧发酵的方式进行生物制氢。将这项技术应用于废水生物处理方面，就完全可以起到净化废水的作用。生产生物氢气使环境免于受有机废水或工农业废弃物的污染。生物制氢试验方案见图3。
图3 生物制氢试验
2 果汁饮料废水生物制氢
微生物的生长代谢受到不同环境因素间接或直接的影响。微生物与环境之间存在着非常复杂的作用。不同的环境因素中必定会有几个因子对微生物的繁殖和生长带来影响和改变。厌氧生物发酵反应器中污泥量、PH值、温度、反应时间、底物浓度以及底物种类等都会不同程度地影响产氢的过程。作为研究对象，选取了果汁饮料废水，对金属离子、污泥预处理、以及生态因子对产氢的影响进行了研究。控制厌氧发酵生物产氢的重要因素之一就是污泥预处理。分析了碱处理、热处理和酸处理对发酵产氢的影响。热处理可以使得产氢反应快速启动，有效地杀灭产甲烷菌，它比别的预处理方法效果要好。厌氧发酵制氢过程中，发酵体系的温度和pH值是重要的影响因素。发酵环境中，pH值在4.5～5.5的情况为最优持续产氢pH值，发酵温度是32摄氏度时的最大累积产氢量为1805毫升，而发酵温度到达37摄氏度的最大产氢速率为62mLH2/h·L废水。初始pH值为7.0时的最大产氢浓度百分之42.3，最大产氢量1999毫升。不同价态铁中，Fe3+没有促进作用，单质Fe和Fe2+能够提高产氢酶的活性、提升细菌的代谢能力。Fe2+浓度在0～250mg/L能够增加产氢量、促进产氢反应， Fe2+超过250mg/L，有抑制产氢反应的作用，Fe2+投加量在50mg/L时，最大累积产氢量为1936毫升，分别比试验前提高了百分之2.4和0.15倍，不同价态Fe中的Fe2+最佳。污泥的产氢活性在很大程度上受自然环境温度的影响较大，自然环境的温度相对较高，产氢活性也较强。可以利用果汁饮料废水进行厌氧发酵产氢，不但能够增加产能，还可以达到降低废物排放目的。
以果汁饮料废水为底物，初始PH值为6.0时，随着时间的变化，产氢量分为四个步骤：延迟反应、产氢、继续产氢、衰减产氢。延迟反应阶段，氢发酵没有产生氢气，随着时间的增加，氢气的含量也在逐步增加。在微生物厌氧发酵产氢的过程中，棱状芽孢杆菌开始生长，并开始降解有机物，它起到了主要的控制作用。当氢气含量到达最大值时的气体氢气含量为百分之六十一，然后进入继续产氢。最后，当有机物耗尽时，氢气的含量也在逐渐下降。其产氢浓度随时间的变化关系如图4所示。厌氧发酵生物制氢的4个步骤与微生物本身的生长规律密不可分。在化学成分一定的培养基中，分批培养微生物。随着时间的推移，微生物的生长速度也发生着规律性改变。从细菌繁殖开始，底物渐渐转化为氢气。随着细菌数量增加、生长速度的加快，也随着持续地产生氢气。细菌的快速繁殖降低了培养基浓度，营养耗尽时，细菌群体逐步衰亡，氢气含量降低，结束产氢。微生物生长代谢的这个过程其实就是产氢的整个过程。厌氧发酵生物制氢的过程中，棱状芽孢杆菌属群的作用十分重要。棱状芽孢杆菌的特性可以通过热处理来提高。当生长于新介质中时，孢子悬浮物可以变成完全无性繁殖细胞。在富集厌氧产氢微生物中起着主导作用的是芽孢生产菌，产酸菌群由厌氧产芽孢细菌等构成的。生物产氢路径为：如果汁饮料废水的复杂碳水化合物经过水解，转化为如葡萄糖的单糖，经过酸化，单糖生成了二氧化碳、氢气和挥发性脂肪酸。最后通过氢化酶作用，脂肪酸则转化为了乙醇、二氧化碳和氢气。CDO为化学需氧量，它表示废水中的有机物完全被氧化所需要的氧量。产氢菌利用了碳水化合物，将其转化为挥发性脂肪酸、细胞物质、二氧化碳、醇和氢气，同时也降低了COD含量。
3 试验方法
试验所使用仪器如图5所示，图中1代表反冲水槽；2为集气瓶；3为气囊；4为量筒；5为三口瓶；6是恒温水浴；7是温度探头；8为加热装置；9是搅拌器。试验取800mL果汁饮料废水，天然厌氧微生物为污水处理厂厌氧污泥，100mL经过预处理的菌液， 配置好的营养液，注入1000mL的3个烧瓶中，加入纯度为99.99%的H2，充入5min，即刻放入水浴恒温振荡器中，振荡时间根据发酵具体情况进行调节。初始pH值可用氢氧化钠溶液、稀盐酸、缓冲溶液来进行调节，并对不同的发酵温度实施控制。采用气相色谱仪检测发酵气体的成分，相应气体峰值和保留时间对发酵气体成分的计算提供了可能。测定发酵气体成分条件为：进样量为1mL；载气流率为15.5mL/min；载气氩气；检测器温度为240℃；进样温度为210℃，柱温度210℃。比产氢速率= ，CODcr去除率：去除CODcr与初始CODcr的比值（%）；CODcr去除率=
比产氢量为每单位CODcr的产氢量（mmolH2/g（COD））。
比产氢量=
4 结束语
通过厌氧菌发酵处理果汁饮料废水，可以实现持续生产生物氢气的目的。利用果汁饮料废水进行厌氧发酵产氢是完全可行的，能够实现降低废物排放与提高产能的双重目的。
参考文献
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