基于微生物电解池利用有机废弃物产氢研究进展

基于微生物电解池利用有机废弃物产氢研究进展

农业资源与环境学报

JournalofAgriculturalResourcesandEnvironment

基于微生物电解池利用有机废弃物产氢研究进展

3余银生1，刘春波1，胥腾飞1，，宋子琛1，张文曌1，王永忠2*

2.重庆大学生物工程学院，3.重庆美的通用制冷设备有限公司，（1.重庆大学动力工程学院，重庆400030；重庆400030；重庆401336）

MEC）（Microbialelectrolysiscell，农林废弃物、活性污泥等废要：微生物电解池技术作为一种新兴技术，实现了利用有机废水、

摘

本文主要介绍了MEC产氢的工作原理，分析了MEC利用有机废弃物同步酶解发酵产氢的目的，有效提高了资源的综合利用效率。物产氢过程中的影响因素。

有机废弃物关键词：微生物电解池；生物制氢；同步酶解发酵；TK6中图分类号：

A文献标志码：

2095-681904-0327-05文章编号：（2015）

doi:10.13254/j.jare.2015.0021

ResearchProgressofHydrogenProductionfromOrganicWastesinMicrobialElectrolysisCell（MEC）

（1.SchoolofPowerEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China;2.SchoolofBioengineering,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China;3.ChongqingMideaGeneralRefrigerationEquipmentCo,Ltd,Chongqing401336,China）

Abstract:Microbialelectrolysiscell（MEC）technologyasanemergingtechnology,hasachievedthetargetofhydrogenproductionfromdif原ferentsubstratessuchaswastewater,forestrywastes,activatedsludgebysimultaneousenzymolysisandfermentation,whichcaneffectivelyprocessofhydrogenproductionfromorganicwasteinMEC.

improvetheefficiencyofresourceutilization.ThispaperdescribedtheworkingprincipleofMECandanalyzedthesefactorsinfluencingtheKeywords:microbialelectrolysiscell（MEC）;biohydrogen;synchronizationenzymaticfermentation;organicwastes

3YUYin-sheng1,LIUChun-bo1,XUTeng-fei1，,SONGZi-chen1,ZHANGWen-zhao1,WANGYong-zhong2*

当前，世界各国经济发展对能源依赖性不断加强，由此引发了产生能源危机的可能性。氢气作为清燃烧热值高等优点，洁高效能源具有无污染、可再生、

作为最基本的工业原料，氢被誉为“未来燃料”。另外，有机合成、氨合成工气广泛用于石油化工、电子工业、业及食品加工等领域[1-3]。目前，氢气的生产主要包括化学方法制氢具有能耗传统的化学方法和生物方法。

而厌氧发酵生物高、净增能值低、环境污染大等缺点。

因此，制氢则具有氢气产率低、氢气分离困难等不足。

Logan等[4]在微生物燃料电池（MFC）基础上提出了一Liu等[5]提出——微生物电解池制氢，种新的产氢方法—

（MEC）了微生物电解池的概念。MEC产氢与其他生

电解制氢技术的方式有望成为未来解决可能出现的

由于有机废弃物具有成分能源危机的一种有效途径。

酸碱度高等特性，未经复杂、含有众多有毒有害物质、

而已有的研究表明，有机处理会引起严重环境污染，

酒厂废水、活性污废水如生活污水、玉米秸秆发酵液、

泥等各种有机废弃物可作为MEC产氢的理想底物来源[6-7]。

本文结合MEC的工作原理，分析了预处理方式、

pH值）外加条件（电压、底物类型、微生物菌群、温度、等因素对MEC利用有机废弃物产氢性能的影响。

1MEC产氢基本原理

可用底物广泛及可承物制氢方式相比，比产氢率高、

受的温度范围广、兼具电化学和微生物学的优点。相

输入产氢电压低，故MEC对于传统电解水制氢方式，

2015-01-20收稿日期：

基金项目：国家自然科学基金面上项目（51376200）

（1993—）作者简介：余银生，男，本科生，主要从事环境与能源生物技术中的热物理研究。E-mail:20123858@cqu.edu.cn

*通信作者：王永忠E-mail:wangyzh@cqu.edu.cn

室MEC和单室MEC。单室MEC反应器的阴极和阳

结构较简单、成本低。双室极没有用质子交换膜隔开，

MEC包含阴极室、阳极室，以及中间的质子交换膜。双室MEC阴极和阳极由质子交换膜隔开，因此产生的氢气与其他气体分开，不仅有效地提高了产生氢气的纯度，还降低了后期产物分离所需经济投入。MEC运行时，阳极微生物将有机废弃物中的有机物氧化，

—327—

MEC根据其反应器的结构类型不同，可分为双

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·农业资源与环境学报第32卷·第4期

产生氢离子和电子，所产生的电子通过介体或者微生

物的呼吸链传递到MEC的阳极，并经导线由外电路传至阴极，氢离子则通过质子交换膜或者直接传递到阴极，低电压下阴极室中的氢离子接受电子而产氢[8]。

乙以下以乙酸为例阐述MEC产氢的具体工作原理，

H+和电子，H+向酸在微生物的作用下分解生成CO2、

阴极运动，电子在电势差的作用下沿外电路传导至阴

H+与来自外电路的电子在阴极结合发生还原反应极，

（EPS）可降解细胞壁外的胞外聚合物，增加有机废弃物液相中有机物的浓度，在胞外酶的作用下水解成易

于被微生物利用的小分子有机物从而提高产氢速率。直接丢弃或填埋活性污泥是有机废水的主要副产物，

造成严重的环境问题，厌氧生物方法也伴随着效率因此剩余污泥的采用低、有机物分解不彻底等局限，预处理以实现能量充分回收和产氢性能改善是国内

外学者的研究焦点。刘常青等[9]发现利用酸性预处理提高污泥厌氧发酵方式可抑制污泥中的耗氢微生物，

的产氢量，当预处理酸液pH=2.0时，对耗氢微生物抑制作用最明显，但同时也抑制了产氢微生物的生物活

H2产量最高，酸性预处性，当预处理酸液pH=3.0时，

生成H2，然后在阴极侧顶部收集H2，在阳极侧顶部收

集CO2，从而在微生物电解池内产氢。以乙酸为底物的MEC生物制氢的反应方程式如下：

总反应方程式：

CH3COOH+2H2O寅2CO2+4H2

阳极反应方程式：

CH3COOH+2H2O-8e-寅2CO2+8H+

阴极反应方程式：8H++8e-寅4H2

增加污泥体系中的溶解理促进了微生物的融胞作用，

性蛋白质和糖。

O3、H2O2、此外，添加适当的氧化剂如氯氧化剂、使细胞中过氧乙酸等氧化污泥胞外聚合物和细胞壁，

同时还可提高有机物的降的有机物质释放到细胞外，

解率，提高反应速率。康灵玲[10]以化学预处理后的污

泥厌氧发酵液作为MEC产氢底物，实验结果表明氢而鼠氧化钠、过氧乙酸等处理后底物产氢能力较高，

李糖脂最低。机械预处理也可以提高氢气产量，Cheng等[11]研究了降解有机废弃物同时产氢的MEC经超声波处理后，可使有机系统。以活性污泥为底物，

为消废弃物中的短链脂肪酸接近90%地转化为氢气。加速系统的启除生物产氢系统接种污泥中的耗氢菌，

动进程并提高产氢效能，以啤酒厂废水处理车间的厌其产氢氧颗粒污泥为对象，经热处理后的产氢系统，

其中，经95益处量均大于未经处理的活性污泥系统，

理过的厌氧活性污泥具有更高的发酵产氢性能[12]。故

阴极

机物彻底氧化，因此为有效处理和回收有机废水和农

MEC林废弃物提供了可能。（单室和双室结构）产氢的

工作原理如图1所示。

a双室CO2

电阻

电源e-H+

H++e-阳极

H++e-e-H2

b单室

电阻

e

-

MEC产氢效率比微生物发酵产氢高，并能将有

电源

e-

CO2+H2

阳极阴极

质子交换膜

采用合理的预处理方式，可以有效提高有机废弃物中有机物的利用效率，提高氢气产量和系统的能量回收率。

2.2底物类型对MEC产氢性能的影响

图1MEC产氢示意图

Figure1TheschematicdiagramofMEC

2MEC利用废弃物产氢性能研究

以MEC为基础，农林目前，建立起以有机废水、

废弃物等有机废物为底物的MEC系统中，预处理方

pH值）外加条件（电压、式、底物类型、产氢菌群、温度、改善等对系统的运行性能和产氢效率都有极大影响，

运行条件可以改善MEC性能，进而提高产氢效率。2.1预处理方式对MEC产氢性能的影响

在MEC的研究中所采用实际底物有生活污水、

有机酸、纤维素等发酵废液、垃圾浸出液、活性污泥、有机废弃物。由于氢被微生物消耗会带来电子损失，

使得电子在MEC运行中的分配情况较为复杂[13]。此外，有机废水、农林废弃物等有机废弃物中往往同时

蛋白质、脂类等多种性质差含有碳水化合物、有机酸、异较大的物质，深入研究电极微生物对上述有机废弃

才能进行有效物中所含有的有机物的梯级利用情况，

的底物预处理和运行调控以改善产氢性能。MEC虽（如碳水化合物）但往然能直接利用可发酵底物产氢，

适当的预处理如酸碱预处理、化学氧化预处理、

热预处理、机械预处理等方式可以有效破坏有机废弃

同时还物中微生物细胞壁，可释放胞内的有机物质，—328—

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等：余银生，基于微生物电解池利用有机废弃物产氢研究进展

导致发酵细菌往给微生物菌群带来较大的代谢压力，

（电子供体）大量增长，造成底物损失。由于有机废弃成分、浓度存在物中含有的各种可利用的底物性质、

差异，故产氢性能显著不同。Lalaurette等[14]以纤维素为原料，采用MEC利用热纤维梭菌分步厌氧发酵玉

Lu等[15]以糖蜜米秸秆产氢，产氢效率得到明显改善；在0.6V外加电压下，利用缓废水为底物发酵产氢，

3

m-3d-1，冲糖蜜发酵液获得的最大产氢速率为1.41m··氢气回收率提高至81豫。然而Mahmoud等[16]以垃圾

渗滤液为底物进行发酵，利用双室MEC处理发酵废m-3，MEC仅水，电流密度仅为23A·并未产生氢气，

仅作为污水处理装置并没有能量输出。目前报道MEC利用各种不同的有机废弃物中的底物产氢中主产氢时系统运行不稳要存在的问题是产氢速率较低，

不同底定并伴随有甲烷生成而造成氢气产量下降等。

物下的MEC产氢性能如表1所示。

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