有机废水发酵法生物制氢

新洁电子

作为新能源，氢气的优点显而易见。有人将氢气誉为“世界上最干净的能源”，因为它的燃烧产物只有水。氢气的燃烧热值高，相同质量的氢气燃烧所产生的热量约为汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍。更为重要的是，氢气是一种可储存的能源载体。有科学家认为，21世纪氢能有可能在世界能源舞台上占有举足轻重的地位。

    能够制氢的技术有很多种，然而利用废水制氢无疑具有别样的吸引力，因为它同时兼具了废水处理的功能，可谓一举两得。在国家自然科学基金等支持下，从上个世纪90年代初开始，哈尔滨工业大学教授任南琪就开始了有机废水中产生氢气的机理研究。他利用发酵法生物制氢技术，在产生氢的同时伴随有机物的降解，使废水得到净化。
) S6 K5 s  i7 F0 a. ~- O6 U$ ~6 w
) `. v. R& A. G" U( O& V' V    发酵法制氢优势渐显
- N0 ]4 k4 o, F, [
    据介绍，制氢的方法有两类，即利用不可再生资源制氢和利用可再生资源制氢。前者是利用石油、天然气、煤炭等资源的方法，目前这一领域的技术已经相当成熟，由此生产出的氢气约占目前世界氢气生产总量的96%。而剩余4%的氢气生产量，则基本由电解水来完成，而水无疑是一种可再生资源。

    从可持续发展的角度来看，利用不可再生资源制氢，显然不是长久之计，利用可再生资源制氢，将会是一条非常有潜力的制氢之路，尽管目前利用可再生资源制氢在氢气生产总量中所占的比例微不足道。

    可再生资源制氢技术大体可以分为热物理制氢和生物制氢。前者因为对生成条件要求较高，目前还只是处于实验室阶段，而后者已经开始成为可再生资源制氢技术中的一支重要力量。

2 N8 p" N5 {2 m7 ?( R2 v0 p8 e    生物制氢是利用某些微生物体内存在着特殊的氢代谢系统来生产分子氢的一项生物工程技术。光合法制氢和发酵法制氢是生物制氢技术的两个大类。然而经过半个多世纪的研究，到上个世纪90年代末，光合法制氢依然没有达到理想的效果，主要是因为光合微生物生长速度慢，生长过程必须要有充足的光照，这些制约因素使得光合法制氢无法走出实验室，实现规模化和产业化。
/ f0 F2 v5 c0 H0 B8 \- g
! J) ~6 Z+ _3 s  n8 M    与此同时，发酵法制氢开始异军突起。1990年，哈尔滨工业大学教授任南琪发现了用产氢细菌在有机废水处理中产生氢气的现象。通过多年的研究，他们成功掌握了利用有机废水制氢的技术，在产生氢的同时伴随有机物的降解，使废水得到净化，从而变废为宝。
! ?; e. j9 N- W8 G& w7 a0 `. t, r
% i8 K  @' i" E    从实验室到示范工程
  z) _. U4 c$ d, x% T' f
    从1990年到1996年，有机废水发酵法生物制氢的小试研究完成。而早在1991年，任南琪及其率领的团队就得到了国家自然科学基金的资助。提及此事，任南琪感慨地说：“可以说，没有国家自然科学基金的支持，就没有我们的今天。”

+ d) ^/ ]  @' e    同样给予任南琪支持的，还有黑龙江省。1995年，任南琪的小试研究获得黑龙江省科技进步奖二等奖。通常情况下，一项处于小试阶段的技术是不可能拿到二等奖的，但是这项技术的超前性，使得当时的评委会破了例。
) I8 U4 a# w# t. ^( t1 B6 O0 m! R$ |
+ h* h/ e9 W$ }2 w5 B' Q% H    1996年到1999年底，有机废水发酵法生物制氢的中试研究顺利完成，在世界上首次完成生物制氢中试研究，开创了具有我国自主知识产权的厌氧活性污泥工艺发酵法生物制氢技术。2001年，经过院士投票，这项中试研究成果评选为“2000年中国十大科技进展新闻”之一。此时，国外小型连续流反应器发酵法制氢技术才刚刚开始，并且，这还源于1990年任南琪发表的相关论文被国外科学家所注意。

0 b2 J9 B2 N* W  ^) w" c    2000年到2005年，在国家氢能“973”项目的支持下，任南琪发现了一类新的菌种，这些细菌不仅可以在氢气制造中起到良好的催化作用，而且对环境要求较低，大大提高了氢气的产量，为生物制氢从实验室走向工厂化生产奠定了基础。

    2005年，由任南琪承担的国家“863”计划“有机废水发酵法生物制氢技术生产性示范工程”，在哈尔滨国际科技城启动。该项目日产氢气1200立方米，成为国际上第一条发酵法生物制氢生产线，并且在规模上创造了世界之最。谈到任南琪的“有机废水发酵法生物制氢技术”，清华大学核能与新能源技术研究院教授毛宗强赞许有加，他尤其肯定这项技术“一箭双雕，既产生了氢气，又处理了污水”。

    2008年初，任南琪及其课题组完成的“乙醇型发酵生物制氢技术”荣获国家技术发明奖二等奖，比国外利用丁酸型性发酵的产氢率高几十倍。

    作为中国可再生能源学会氢能专业委员会主任和国际氢能学会的理事会成员，毛宗强认为，这项技术不仅体现了我国在科研上的水平，同时还具有不可忽视的社会意义，那就是我国政府大力支持氢能开发，正在为减少温室气体排放、缓解全球环境恶化作出积极努力。
1 u6 A) ?' j; h
    1元钱的目标
7 r9 f7 Q& T# R) Q
    当然，示范工程的成功建立并不意味着大规模工厂化生产的条件已经完全成熟。在任南琪看来，他们还有一些技术上的问题需要进一步研究解决。任南琪希望能进一步提高菌种的产氢效率，高效利用廉价的资源、丰富的生物质，进一步提高转化率。他们还将尝试解决诸如反应器大规模应用时出现的技术问题。
- X, F# V* b* g, e
8 v: b' E  L8 T' M' M6 T6 K$ S    归结起来，任南琪认为，下一步要解决的核心问题是如何降低成本。他的目标是生产1立方米氢气的成本控制在1元人民币以内。

7 O! M0 @3 h# t( m9 E8 }    目前，利用电解水制氢，每产出1立方米氢气，需要消耗3至4度电。而利用不可再生资源制造氢气的成本已经控制在了每立方米1.5元以内。更为重要的是，将成本控制在1元钱，就意味着，在产生相同能量的情况下，用氢气做燃料的消费将和传统能源相当。而这对氢气燃料的普及，无疑具有巨大的推动作用。

资料来源于:科学网