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垃圾发酵生物制氢研究进展

时间:2011-08-02 10:14:46来源:环卫科技网

  0 引言
  餐厨垃圾指的是在居民日常生活以及食品加工中产生的食物废料,主要来源于学校食堂、超市、餐馆等餐饮服务业以及农贸市场等地点,是城市生活垃圾的主要组成部分。近年来,随着我国城市人民生活水平的提高,餐厨垃圾的产生量迅速增加。据统计,国内主要城市的餐厨垃圾产生量均已超过1000t/d,其中北京高达1600t/d,上海达1300t/d,杭州也在1000t/d左右。然而,由于我国城市生活垃圾分类体系尚不完善,数量巨大的餐厨垃圾进入其他城市生活垃圾处理体系中,对现有的城市生活垃圾收运和处理处置产生了许多不良影响。因此,如何将推广餐厨垃圾单独收集,并进行高效资源化已逐渐成为国内外餐厨垃圾处理研究关注的热点之一。
  长期以来,氢气被认为是一种清洁能源,也是最理想的能源物质之一,用氢气替代普通化石燃料可以有效避免大气污染与温室效应等环境问题。然而,氢气制取缺乏经济高效的技术手段,至今未能突破工程应用的难题。近年来,无需外加能源且成本低廉的发酵生物制氢工艺得到了各相关领域的重视。发酵制氢技术是一种既能降解有机废水或废物,还能产出清洁能源的生物制氢工艺,具有巨大的发展潜力和工程应用前景,得到了越来越多科研工作者的重视。餐厨垃圾有机物含量极高,在去除动物骨头、餐巾纸、筷子等少量杂质之后,挥发性固体与总固体含量的比值(VS/TS)达到90%以上,十分容易被生物降解。此外,餐厨垃圾营养成分丰富,配比均衡,是十分理想的厌氧发酵底物。利用餐厨垃圾生物降解获取清洁能源的发酵制氢工艺,对我国固体废弃物污染控制及节能减排工作具有重要意义。本文对近年来餐厨垃圾发酵制氢技术在微生物发酵制氢机理、工艺条件优化及动力学模型应用方面所获得的研究进展进行综述。
  1 发酵产氢微生物与机理研究
  1.1 发酵产氢机理研究
  微生物发酵产氢的代谢途径主要有三条。第一条是EMP途径中的丙酮酸脱羧产氢。相关的发酵微生物一般含有与产氢密切相关的氢化酶和铁氧化还原蛋白。在丙酮酸脱羧过程中,产氢微生物将丙酮酸首先在丙酮酸脱氢酶作用下脱羧,形成硫胺素焦磷酸-酶的复合物,同时将电子转移给铁氧还蛋白,还原的铁氧还蛋白被铁氧还蛋白氢化酶重新氧化,产生分子氢。而丙酮酸脱羧之后形成了甲酸、二氧化碳、乙醇、乙酸等一系列末端产物。第二条途径是在肠道杆菌存在的情况下,丙酮酸脱羧后形成的部分甲酸裂解,形成二氧化碳和氢气。此外,Tanisho等对产气肠杆菌发酵产氢进行研究后,发现了发酵产氢的第三条主要途径,为提出了辅酶Ⅰ的氧化与还原调节平衡产氢假设假设,进一步完善了微生物发酵产氢主要途径的机理研究。在该假设中认为膜结合氢化酶具有2个活性位点,分别位于细胞膜的两侧,在细胞质的位点与NADH相互作用,而位于胞外周质的一侧的位点与质子相互作用产生氢气。还原型辅酶Ⅰ(NADH+H+)可以与一定比例的丙酸、丁酸、乙醇或者乳酸发酵相耦联,被氧化成氧化型辅酶Ⅰ(NAD+),确保了代谢中辅酶Ⅰ还原型与氧化型的平衡,同时该过程使发酵产氢的最终产物成分种类与含量发生了变化,成为划分发酵类型的重要依据。
  1.2 发酵产氢微生物研究
  通过多年研究发现,发酵产氢的微生物主要有:肠杆菌属(Enterobacter)、梭菌属(Clostridium)、埃希氏肠杆菌属(Escherichia)和杆菌属(Bacillus)四大类,其中有关前两类的研究与应用报道最多。Fang等对混合菌种反应器中的微生物种群进行研究发现,肠杆菌属和梭菌属微生物是反应器中主要微生物种群。Gray将产氢微生物按发酵产氢过程中氢的电子供体不同,将产氢微生物分为三大类,分别是:(1)通过丙酮酸或丙酮酸式二碳单位产氢的专性厌氧细菌类群,以梭菌属细菌最为典型;(2)以细胞色素为电子供体,通过甲酸产氢的兼性厌氧细菌类群;(3)介于(1)与(2)之间的过渡型,在无硫条件下产氢的脱硫弧菌属(Desulfovibrio)。
  目前,产氢微生物的研究工作大致可以分为两类,纯菌种的筛选与混合菌种的培养。从纯菌种的筛选研究现状来看,研究者们对可以从自然界直接获得的产氢菌种(以梭状芽孢杆菌和肠杆菌为主)进行了大量研究,希望通过筛选适合的产氢微生物,提高氢气产量与产生效率。Brosseau和Zajic[3]利用纯菌种Clostridiumposteurianum降解葡萄糖,氢气的产量为1.5molH2/mol葡萄糖;Taguchi等分离得到了一株产氢能力很高的菌种ClostridiumheijerinckiAM21B,产氢能力达到1.8~2.0molH2/mol葡萄糖。随后,他们又从白蚁体内分离出Clostridiumsp.No.2,该菌种对木糖和阿拉伯糖具有很高的降解产氢能力。该研究为发酵餐厨垃圾中最难降解的纤维素物质提供了很好的思路。Perego等利用产气肠杆菌EenterobacteraerogenesNCIMB10102,以玉米淀粉的水解产物为底物,最大比产氢速度为10mmolH2/gVSS?h。我国学者任南琪等研究发现了新一类的发酵产氢细菌,通过16SrDNA碱基序列的测定,分析得到了Rennanqilyf1、Rennanqilf3和B49等菌种,并将这些微生物命名为Biohydrogenbacteriumgenussp.,极大丰富了产氢菌种。
  除了从自然界直接筛选高效产氢菌株以外,利用各菌种之间的协同作用提高产氢效率也引起了研究者的重视。不同菌种利用的最佳底物也往往各不相同,因此不同菌种混合培养可以提高如餐厨垃圾这样的复杂有机物的产氢效率,这一点在众多的研究中得到了证实。Yokoi等利用丁酸梭菌、产气肠杆菌、类红球菌共同降解甜土豆淀粉残留物,达到平均产气量为4.6molH2/mol葡萄糖,并连续产气30d以上;Kim等在实验室的血清瓶试验中,将餐厨垃圾与污泥(以梭菌属为主)混合,产氢率达到5.5mmolH2/gCOD;Han与Shin[9]同样利用污泥与餐厨垃圾混合在厌氧滤床中发酵,使餐厨垃圾发酵效率达到58%。

  2 发酵产氢影响因素及其研究进展
  影响餐厨垃圾发酵产氢效率的因素主要有发酵底物特性、pH、ORP、反应器类型、重金属以及添加剂等,在这方面国内外学者开展了大量的研究工作。
  2.1 发酵底物
  餐厨垃圾成分复杂,是油、蔬菜、果皮、果核、米面、鱼、肉、骨,以及废餐具、纸巾等的大杂烩,的主要组分为蛋白质、脂肪和淀粉三大类,分别具有相应的最佳发酵微生物与外界条件,难以实现餐厨垃圾发酵产氢过程的最优化控制。因此,很多研究者利用餐厨垃圾中的单一组分,如蛋白质、脂肪、淀粉与难降解的纤维类物质等,进行产气能力、最佳底物与工艺控制条件方面的研究,表1列举了相关的代表性研究结果。其中,Okamoto等将米饭、卷心菜和胡萝卜三种物质在120mL玻璃瓶里面进行中温(37±1)℃条件的发酵产氢,达到了较高的产氢效率:0.86~4.29mmolH2/gVSS米饭,2.00~3.16mmolH2/gVSS卷心菜和1.17~2.75mmolH2/gVSS胡萝卜。目前。的研究结果表明,碳水化合物如淀粉、糖蜜等是十分理想的产氢底物,而蛋白质与脂肪的发酵产氢效率较低;部分氨基酸可以被氧化降解,转化为相应的挥发性酸和氢气,而其中蛋白质的水解成为发酵产氢的限速步骤;脂肪降解生成长链脂肪酸和甘油,甘油可以迅速被降解利用,而长链脂肪酸在缺乏产甲烷菌的条件下,难以通过微生物之间的合营关系得到降解。
  目前利用混合餐厨垃圾作为底物的研究日益增多,主要目的在于综合各类因素,培养合适的混合菌种,研究最佳工艺控制条件和最大转化效率,证实餐厨垃圾发酵产氢的可行性,相关的研究结果见表1。其中,杨占春等用主要成分为米饭的餐厨垃圾在400mL左右的反应器内进行半连续式的发酵产氢,最大产氢速率达到486.6molH2/m3?d,混合气体中氢气含量为65%,并获得了一系列最佳的工艺控制条件。
  2.2 pH与ORP
  pH与ORP是餐厨垃圾发酵产氢的重要环境因素与控制参数。在其他条件一定时,通过pH调控可以影响系统中产氢微生物优势种群,改变系统发酵产氢途径,影响最终产气效率。当pH>6.0或4.5>pH>5.3时主要发生丁酸型发酵;pH<4.5时发生乙醇型发酵。当体系中的pH低于5.0时可以有效抑制产甲烷菌的活性,减少氢气的消耗;但当体系中pH值进一步降低,也会影响产氢菌的活性。任南琪等在此基础上进一步提出了三类发酵菌群(乙醇型、丁酸型、丙酸型)pH与ORP的二维实际生态位图。另外,席北斗等对不同pH值(3.0~11.0)处理条件下发酵系统进行研究,结果发现在碱性条件(pH=11.0)时,产氢率达到了最大,而且氢气的消耗率很小,基本没有甲烷生成,可能原因是碱处理减少了产甲烷菌等耗氢微生物生存。
  2.3 金属与其他添加剂
  Na+是餐厨垃圾中最主要的金属离子。Na+不仅是微生物细胞的构成组分,而且一定的盐浓度对维持细胞的渗透压有着重要作用。洪天求等以蔗糖为底物,对不同Na+浓度的条件下的产氢率、比产氢率和糖降解率等进行研究,结果发现Na+浓度较低时(<1000mg/L)时,对微生物的活性和产氢能力有不良影响;而Na+浓度在1000~2000mg/L之间时,对发酵产氢有一定促进作用;Na+浓度的进一步提高(8000~16000mg/L),会逐渐影响微生物对营养物质的吸收而产生抑制作用。
  铁广泛存在于发酵产氢微生物的细胞色素、酶的辅助因子、铁氧还蛋白和其他铁硫蛋白中,是大多数细菌生长的必要元素。镍也是厌氧菌种某些酶的必要元素,但高浓度的镍对微生物的生理代谢有毒害作用。镁不仅是酶的辅助成分,也是细胞膜和细胞壁的组成成分,而且对一些重金属的毒性有拮抗作用。林明等对典型的乙醇型产氢菌种B49受铁、镍、镁三种金属离子的影响进行研究,结果发现三种金属均对微生物的生长发酵有促进作用,但在微生物生长不同时期的地位有所不同。在发酵初期金属离子的促进作用顺序为Fe2+>Mg2+>Ni2+,末期顺序为Fe2+>Ni2+>Mg2+。曹东福等对不同价态的铁对发酵产氢效率与氢气浓度的影响进行进一步研究,发现Fe、Fe2+、Fe3+对污水处理厂处理厌氧污泥发酵蔗糖的产氢效果都有促进作用,在Fe2+浓度为1000mg/L时产氢率达到了最大,最高产氢浓度为56.5%。而Wang等在铁对产氢菌种B49影响的实验中发现,在一定浓度内单质Fe的作用大于Fe2+。这与丁杰等研究不同价态铁对实验室培养混合菌种的作用结果一致。导致实验结果出现差异的原因可能是因为在不同产氢微生物中不同价态的铁起到的作用不同。

  2.3 重金属与其他添加剂
  Na+是餐厨垃圾中最主要的金属离子。Na+不仅是微生物细胞的构成组分,而且一定的盐浓度对维持细胞的渗透压有着重要作用。洪天求等以蔗糖为底物,对不同Na+浓度的条件下的产氢率、比产氢率和糖降解率等进行研究,结果发现Na+浓度较低时(<1000mg/L)时,对微生物的活性和产氢能力有不良影响;而Na+浓度在1000~2000mg/L之间时,对发酵产氢有一定促进作用;Na+浓度的进一步提高(8000~16000mg/L),会逐渐影响微生物对营养物质的吸收而产生抑制作用。

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  表1餐厨垃圾发酵产氢工艺与产氢效率研究结果


  铁广泛存在于发酵产氢微生物的细胞色素、酶的辅助因子、铁氧还蛋白和其他铁硫蛋白中,是大多数细菌生长的必要元素。镍也是厌氧菌种某些酶的必要元素,但高浓度的镍对微生物的生理代谢有毒害作用。镁不仅是酶的辅助成分,也是细胞膜和细胞壁的组成成分,而且对一些重金属的毒性有拮抗作用。林明等对典型的乙醇型产氢菌种B49受铁、镍、镁三种重金属离子的影响进行研究,结果发现三种重金属均对微生物的生长发酵有促进作用,但在微生物生长不同时期的地位有所不同。在发酵初期重金属离子的促进作用顺序为Fe2+>Mg2+>Ni2+,末期顺序为Fe2+>Ni2+>Mg2+。曹东福等对不同价态的铁对发酵产氢效率与氢气浓度的影响进行进一步研究,发现Fe、Fe2+、Fe3+对污水处理厂处理厌氧污泥发酵蔗糖的产氢效果都有促进作用,在Fe2+浓度为1000mg/L时产氢率达到了最大,最高产氢浓度为56.5%。而Wang等在铁对产氢菌种B49影响的实验中发现,在一定浓度内单质Fe的作用大于Fe2+。这与丁杰等研究不同价态铁对实验室培养混合菌种的作用结果一致。导致实验结果出现差异的原因可能是因为在不同产氢微生物中不同价态的铁起到的作用不同。
  另外,研究这对一些可以促进发酵产氢的添加剂进行了研究。曹先艳等[28]发现在反应器内添加表面活性剂与偏硅酸钠,能抑制产甲烷菌等耗氢菌的生长,提高产气量。许丽英等将酵母粉添加到B49发酵糖蜜废水中,发现明显地促进了产气。作者推测是酵母粉中含有的烟酸是NADH与NADPH的前体,参与了递氢过程和氧化还原反应。
  2.4 反应器类型
  不同类型的反应器对微生物稳定生长、物料传质与气体溶解释放等存在重大的影响。以传统厌氧反应器为参照,国内外研究者对反应器进行改进以提高发酵产氢能力,并研究其产氢特性。带搅拌器的CSTR反应器在发酵产氢中应用最多,Lay等利用CSTR发酵淀粉,获得产氢效率为71.4molH2/m3?d。
  李建政等利用CSTR反应器培养发酵产氢微生物,发现细菌在反应器内团聚成小球状,产气效率进一步提高到254.5molH2/m3?d。Chang等进行了UASB反应器发酵蔗糖的研究,细菌能够自固定化成0.43mm的小球,产氢速度为53.5mmolH2/g?d,气体中含氢量为44.4%。Zhang利用喷淋床反应器进行葡萄糖发酵产氢,氢气比生长速率达到56.7mmolH2/g?L(普通反应器30.4mmolH2/g?L),该结果表明喷淋床反应器能够实现高浓度制氢的目的。一般的悬浮制氢系统存在菌液容易被洗出的问题,限制了反应器内微生物浓度进而影响制氢效率。固定化反应器可以为微生物提供载体,提高单位体积的微生物含量,改善制氢效果。目前的制氢系统固定化方法以物理吸附法和包埋法为主,而采用的载体多样化。Chang等用传统的多孔载体丝瓜状海绵(LS)、活性炭(AC)与膨润土(EC)固定城市污水处理厂污泥中的产氢微生物,并将三者在固定床中的处理效果进行了比较。实验结果表明,LS对微生物的富集效果不明显,而填充AC和EC的反应器中微生物含量明显得到改善,产氢效率分别达到了18.8mmolH2/h?L和58.9mmolH2/h?L。活性炭载体具有高孔隙率与低水力停留时间的特点,有利于微生物的生长与底物的传质,提高产气效率。Lee等[39]采用活性炭为载体的填充床进行蔗糖发酵,在填充率为90%,水力停留时间仅为0.5h条件下,获得了产氢效率为330.4molH2/h?L。这与Wu等对以活性炭载体的反应器研究结果一致。与无机填充料相比,矿化垃圾是一种很好的生物载体,垃圾孔隙率高,离子交换容量大,而且富含多种有益微生物生长的微量元素。曹先艳等将填埋10年的矿化垃圾填入餐厨垃圾厌氧发酵产氢体系中,矿化垃圾丰富了产氢体系的微生物菌群,而且对pH有一定调节缓冲作用,使得餐厨垃圾发酵产氢率提高了59.4%。但是固定化方法中,大量载体填入占据了反应器空间,妨碍了制氢反应器产氢效能的进一步提高。此外,载体对微生物的毒性以及对二氧化碳与氢气扩散的妨碍作用也是固定化反应器的缺点。

  3 餐厨垃圾发酵产氢微生物动力学
  模型餐厨垃圾发酵产氢微生物动力学模型是以化学反应动力学与酶催化反应动力学为基础,定量地描述相关研究中的产氢微生物生长、限制微生物生长的发酵底物浓度、氢气等相关产物三者之间的关系数学模型。国内外学者逐渐将现有的微生物动力学模型应用到发酵产氢研究中,对于解释餐厨垃圾产氢过程,预测发酵产氢效果,具有十分重要的意义,同时也为餐厨垃圾发酵产氢的工程设计、分析、运行提供指导。目前在餐厨垃圾发酵产氢系统的研究中,应用动力学模型有:Monod模型、Gompertz模型、Michaelis-Menten模型、Logistic模型、Luedeking-Piret模型等。本文就最常用的Monod模型、Gompertz模型作简单介绍。
  3.1 Monod模型
  Monod模型是Monod于1949年提出的经验式(方程式1),该模型是在单一微生物对单一基质、微生物处于平衡生长状态且无毒性存在的条件下得出的结论。Chen[36]利用Monod模型对蔗糖为底物的搅拌反应器进行描述,获得预测的微生物最大比生长速率(μmax)、Monod常数(Ks)和单位微生物产氢效率(α’H2)分别为0.172h-1、68mgCOD/L和1.0×10-5molH2/g底物,其中预测氢气产量与实验结果的相关系数为0.799。现实发酵产氢的体系并不处于如此的理想状态,这就不难解释Chen的研究中得出相对较差的相关系数。vanNeil等认为影响Monod方程在发酵产氢体系应用的主要障碍是产氢微生物的内源代谢与产氢抑制物的抑制作用。vanNeil对极度嗜热菌Caldicellulosiruptorsaccharolyticus在批式反应器中发酵蔗糖的研究发现,当反应器气相中氢气分压达到10000~20000Pa时,产氢微生物代谢向丁酸型发酵转化,还有一些底物(蔗糖)浓度、盐分等抑制因素,由此提出了相应的修正模型(方程2)。其中C1和C2分别为抑制剂的浓度,C1,CRIT与C2,CRIT是指产氢体系最大抑制剂耐受浓度。

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  3.2 Gompertz模型
  另一个常用模型是Gompertz模型。1990年Zwi-etering等的研究中,首先发现修正后的Gompertz模型(方程3)对产氢纯菌Lactobacillusplantarum的生长能够进行很好的描述,而且使用方便。研究者们试图通过对Gompertz模型进行一定的变型与修正,将其应用到发酵产氢微生物动力学的其他方面。vanGinkel等首先将方程修正之后用于预测发酵产氢中的氢气累积量(方程3);Lin等将该方程验证在35℃下的批式发酵中产气量与元素碳、磷浓度之间的关系,实验数据与预测结果的相关系数达到了0.996-~0.999。YangMu等将Gompertz模型方程进行一系列的变型进一步扩展了Gompertz模型在预测发酵产氢过程中底物利用、微生物生长、发酵产物情况的应用(方程4~6)。
 

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  目前国内外应用的数学模型有很多,如基于单底物酶催化反应初速度假设的Michaelis-Menten模型,基于宏观的种群生长的Logistic模型,用以描述产物浓度变化速率的Luedeking-Piret模型等等。餐厨垃圾发酵产氢的数学模拟还处于起步阶段,各种研究往往是基于发酵瓶等简单实验室反应器的实验基础,对于指导工程应用还有很长的一段路。

  

4 结语
  餐厨垃圾发酵产氢的研究目的在于提高餐厨垃圾发酵产氢产气效率、产气速度以及产气中氢气浓度,并逐步向工程应用迈进。目前,主要的技术手段集中在培养适合微生物菌群、优化工艺控制条件,然而这些技术手段明显已不能满足进一步提高产氢效率与实现工程应用的要求。随着其他相关学科的发展,餐厨垃圾发酵产氢系统可以采取更加直接有效的技术以提高产氢效率。主要有以下几个方面:
  (1)利用分子生物学的手段对产氢菌种或酶进行改造。现代分子生物学的发展已经可以操作电子呼吸链,因此通过基因工程手段改变电子呼吸链,从而大大提高产氢效率。
  (2)餐厨垃圾高效发酵产氢反应器的研制。发酵产氢离不开反应器,反应器直接影响着产氢效果。通过结构和功能的改变,研制新型高效发酵产氢反应器,提高餐厨垃圾厌氧发酵产氢过程中的传热、传质过程与降低产物抑制等,是未来餐厨垃圾发酵产氢工程化的主要研究课题。
  (3)餐厨垃圾产氢过程的动力学模拟研究与优化控制。餐厨垃圾发酵体系影响因素众多,工程中的优化控制难以实现。通过动力学模型的模拟为工程控制提供参考数据具有十分重要的意义。

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