[发明专利]暗－光发酵偶联制氢的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物能源技术领域。具体涉及利用天然微生物群落作为产氢菌源，以含碳有机废弃物，尤其是厨余垃圾和乙醇发酵废水等废弃生物质为原料，通过暗发酵和光发酵偶联来制取氢气的清洁生产方法。

背景技术

目前作为全球经济动脉的化石燃料(石油、天然气和煤炭)的储量非常有限，而且化石能源的使用是环境污染及温室效应的主要原因。开发可再生清洁能源已势在必行。

氢气与传统的能源相比，具有能量密度高(为汽油的3倍)、导热系数高、热转化效率高、输送成本低等优点，可采用气体、液体、固体或化合物的形式储存和运输。氢气作为一种清洁能源，在燃烧过程中只生成水，不产生温室气体和其他污染物；而且氢气还是航空航天，电动机车、现代城市公共交通工具的理想燃料。

目前氢气的制备主要是采用烃类水蒸汽重蒸、高温下生物质的气化及水的电解或光电解等传统制氢方法，其中96％的氢气仍然直接来源于化石能源。这些方法在制氢过程中无法从根本上摆脱对化石能源的依赖，也无法避免对环境的危害。在自然界中，许多微生物可以在其代谢过程中将各种生物质中碳水化合物的氢质子转化为氢气，以微生物的这种代谢特性为基础形成的生物制氢技术，具有常温、常压、能耗低、环保等优势，将成为未来制取氢气的主流方法。

如何降低产氢成本是生物产氢技术面临的重要课题。以废弃生物质为原料进行生物产氢，不仅是降低生物产氢成本的重要途径，对环境保护和循环经济的发展也具有重要意义。黑暗厌氧发酵(暗发酵)产氢途径，特别是以天然混合菌群为接种物，具有产氢速率快、在工艺设计方面比较简单等优势，在利用废弃生物质产氢的研究中倍受关注。例如利用土豆加工厂废水暗发酵产氢(Steven WVan，Sang-Eun Oh，Bruce E.Logan.Biohydrogen gas production from foodprocessing and domestic wastewaters.Int J Hydrogen energy30(2005))、酿酒厂酒糟产氢(Yao-Ting Fan，Gao-sheng Zhang et al.Biohydrogen-productionfrom beer lees biomass by cow dung compost.Biomass and Bioenergy30(2006))，以及柠檬酸生产废水中的碳水化合物和城市固体垃圾等废弃生物质的暗发酵产氢。这些暗发酵产氢结果表明，由于生物质的暗发酵产氢过程，除了产生氢气和二氧化碳以外，还生成了以乙酸和丁酸为主的大量有机酸。因此，仅仅采用暗发酵使废弃生物质转化为氢气的效率佷低，如Steven W Van报道土豆厂废水产氢140mlH₂/g-COD；Sang-Hyoum Kim报道生活垃圾产氢122.9ml H₂/g-COD.如果这些暗发酵液中大量有机酸不被应用，不仅会造成资源的浪费，而且会带来严重的环境污染。

光合细菌可以高效率利用低分子有机酸，将它们彻底降解为氢气和二氧化碳。暗-光偶联产氢不仅可以大幅度提高底物向氢能的转化效率，还可以降低发酵液中的COD，达到清洁排放标准。

为了解决现有的黑暗发酵产氢方法所存在的底物转化效率低、制氢成本高，暗发酵产生的有机酸不能被利用、环境污染等问题，本领域还需要提供新的工艺和技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效率利用含碳有机废弃物为底物进行生物制氢的清洁生产工艺和技术。

为实现上述目的，本发明提供了一种暗-光发酵偶联产生氢气的方法，该方法包括以下步骤：

(a)以含碳有机废弃物为发酵底物，用经预处理的牲畜粪天然堆肥的混合菌群进行黑暗发酵，产生氢气和含有有机酸的发酵液；

(b)用光合细菌对步骤(a)所产生的有机酸的发酵液进行光厌氧发酵，产生氢气。

在一个较佳的实施方案中，所述预处理是对牲畜粪天然堆肥的煮沸处理1-60分钟，更佳为10-30分钟。

在另一较佳的实施方案中，所述牲畜粪是牛粪。

在另一较佳的实施方案中，所述光合细菌选自类球红细菌或荚膜红细菌。

在一个较佳的实施方案中，所述含碳有机废弃物选自厨余垃圾或者发酵有机废水。在另一较佳的实施方案中，所述发酵有机废水选自柠檬酸发酵废液、乙醇发酵。