基于微生物电解池利用有机废弃物产氢研究进展(2)

底物h纤维废液/m·m-3d-1糖蜜废水/m3··m-3d-1乙酸/m3··L·d酿酒废水/L·

-1

bactermetallireducens和混合consortium细菌，实验表

。等[25]采用Geobactersulfurreducens、Geo-

-3

d-1。有机废弃物中微生物菌群可（1.3依0.1）m3H·2m·

进而提影响MEC系统中离子浓度，促进电子的转移，

-3

d-1，的产率为1.9m3H·然而采用G.metallireducens2m·

m-3和（110依7）A细菌时电流密度和氢气产率分别为·

G.sulfurreducens和明，在外加电场强度为0.7V时，

m-3，氢气混合细菌都能产生相同的电流密度160A·

高产氢效率。Wang等[26]首次从双室MEC阳极悬浮液中分离出一种以葡萄糖、酵母提取物和乳酸钠作为碳

源的W7细菌，可降解Fe3+形成Fe2+，增加电子的转以移，提高产氢效率。王为等[21]以牛奶废水为底物，

PCR-DGGE的分子生物学分析得知阳极生物膜中以Geobactersp作为优势菌，上述结果表明在利用有废菌群之间的协同作用更为弃物中的大分子有机物时，

明显。利用厌氧污泥作为MEC菌源，以消化污泥为底物，产氢量可达消化污泥生物发酵的1.7~5.2倍，并伴

农林废弃物等有随有甲烷产生。此外，实际有机废水、机废弃物中除含有常见分析手段能检测到的物质外，还含有大量未知成分，菌群对上述物质应答方式及相

目前研究者对这部分物互作用使得产氢性能不稳定。

阐明这些种群的功质对微生物群落的影响知之甚少。

能，将为进一步揭示种群胞外电子与质子传递的协同

与竞争机制打下基础。

2.4外加电压对MEC产氢性能的影响

表1不同底物对MEC产氢性能的影响

氢气产量1.100.611.41

参考文献[15][14][19][20]m-3d-1秸秆废液/m3··m-3d-1生活污水/m3··m-3d-1牛奶废水/m3··

0.19依0.040.42

[18]

已有的分解有机废弃物的微生物来源十分广泛，

厌氧污泥和水体沉积物作大多数研究都以生活污水、

为接种物，使得微生物群落具有较高多样性。已分离（Proteobacteria）得到菌群包括变形菌门、厚壁菌门（Acidobacteria）（Firmicutes）和酸杆菌门等门类。与传统微生物相比，人们对电极微生物的认识还处于初级

协同作用、电子传阶段，对其食物网结构、代谢机制、递和转移过程不甚明了。同时由于对产氢微生物的基已有的提高产氢效因序列和染色体构成的认识不足，率的措施均为采用混合菌群[22-23]。

混合菌群培养可以在一定程度上增加氢气量，

Liu等[24]在研究热纤梭菌JN4和热解糖高温厌氧杆菌JN4细菌时，JN4细菌可以降解微晶纤维素产氢。其GD17在MEC中的产氢特性时，发现当采用热纤梭菌mol-1glucose。氢气产量约为0.8molH2·然而2种厌氧

mol-1细菌联合培养时，氢气的产量约为1.8molH2·

2.3微生物菌群对MEC产氢效率的影响

MEC得以运行，在外加电压下，不同的外加电压

同使电场强度的不同，从而使电子受到电场力不同，进而影响反应时酶的迁移和活性也受到一定的影响，

进行的时间和产氢效率[27]。Guo等[28]采用乙酸钠为底物，当电解池外加电压为0.2~1.0V时，氢气的产率从0.03LL-1d-1增加到1.58LL-1d-1，氢气的回收率从····

改变的能量回收率达到86.78%。以牛奶废水为底物，外加电压，当外加电压升高到1.2V时，最大电流密

26.03%增加到87.73%，在外加电压为0.6V时，最大

系统，并考察系统产氢效率在0.5~0.8V的外加条件下的变化趋势，实验研究发现MEC在利用发酵废水仅有H2和CO2产生，且CO2产量不随电产氢过程中，

在0.5V电压下，产氢198.5依8.6mL，压改变，增大到

700豫[21]。李小虎[29]以秸秆氢发酵废水为原料构建MEC

d-1，m-3m-3，度可达到261A·产氢速率可达0.048m3··

分别比外加电压为0.4V的情形提高了467豫和

0.7V电压下，产氢量234.2依11.2mL，继续增大电压

电流密度及产至0.8V，产氢量不再增大。由此可见，

—329—

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·农业资源与环境学报第32卷·第4期

当废水氢速率并不是随外加电压的增大而持续增大，

中的阳极微生物降解底物生成H+的速率，与外加电源提供的电子与H+结合的速率相适应时，电流密度根据有机废弃物种类的不及产氢速率将达到最大值。

同，适当调整外加电压强度、降低系统内阻可使以MEC利用有机废弃物产氢时电流密度变大，进而加

（1）探索对有机废气物采取各种预处理方式相结

以提高产氢性能。合的方式对系统预处理，

（2）构建出MEC中微生物菌群的能量代谢过程和微生物食物网组成，建立电子传递效率机制的清晰（方程）（方程）理论和动力学模型。（3）深入研究MEC中微生物菌群的基因组成和染色体序列，揭示菌群之间的协同作用机制。

以含有难降解、（4）扩展可利用产氢废弃物范围，实现环境危害巨大的有机废弃污染源作为底物来源，

既能高效产氢又能回收有机废弃物的生物联产效应。

提（5）优化反应的外加条件，突破极端条件限制，提高产氢效率。高催化生化反应酶的活性，

参考文献：

[1]毛宗强.氢能———21世纪的绿色能源[M].北京:化学工业出版社,2005.

MAOZong-qiang.Hydrogen--21stcenturygreenenergy[M].Beijing:[2]滕继濮.微生物电解池:污水变氢气[N].科技日报,2011-03-18（006）ScienceandTechnologyDaily,2011-03-18（006）.inChinese）（ChemicalIndustryPress,2005.（inChinese）

并显著提高氢快反应速率，同时系统运行更加稳定，

气产量。

此外，温度和pH值对MEC利用废弃物产氢性从热力学和动力能也具有重要影响。在高温条件下，

MEC运行中的生化反应速度会显著上升，学的角度，

但是产氢微生物的生长和产氢活性常常受到抑制而

使MEC产氢性能无法得到显著提高。研究人员对单室MEC在4益和9益的温度条件下实现了成功启动产甲烷过程并运行，由于低温抑制了产甲烷菌活性，

从而提高得到抑制，而产氢速率不会受到较大影响，

了MEC的产氢性能[30]。在MEC系统中，产氢微生物中性环境适生长和代谢方式对pH值变化较为敏感，

低的pH值可有效抑制产宜产氢微生物的生长繁殖，

甲烷菌的活性，但是也对产氢微生物造成不可逆转的损害。笔者所在的课题组在探究木质纤维素酶解糖化

低的初始pH值使酶的活性充分产氢的过程中发现，

体现，所以表现为中间产物的浓度较高。而较高的

所以有机酸的消耗量初始pH值，利于细菌的生长，

较大。合适的初始pH值有利于MEC系统中微生物因此产氢性能好，当pH值的正常生长和代谢活动，

g-1substrate[32]。为6.5时，氢气产率为67.5mL·适宜的

[31]

TENGJi-pu.Microbialelectrolysiscell:Waterbecomeshydrogen[N].

畏.利用废弃物衍生燃料的热化学处理法制富含氢气合成气

[3]吴

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refusederivedfuel[J].JournalofEnvironmentalEngineering,2013:（4）[4]LoganBE,CallD,ChengS,etal.Microbialelectrolysiscellsforhighyieldhydrogengasproductionfromorganicmatter[J].EnvironmentalScience&Technology,2008,42:8630-8640.（23）

pH值可使得产氢微生物和催化生化反应的酶处于最

[5]LiuH,GrotS,LoganBE.Electrochemicallyassistedmicrobialproduc原tionofhydrogenfromacetate[J].EnvironSciTechnol,2005,39:（11）4317-4320.

进而提高产氢佳环境，可以有效提高生化反应速率，

效率。

[6]YeYejie,WangLiyong,ChenYingwen,etal.Highyieldhydrogenpro原ductioninasingle-chambermembrane-lessmicrobialelectrolysiscell[J].WaterScienceandTechnology,2010,61:721-727.（3）

蓉,曲

3结语与展望

氢气作为新能源中的重要组成部分，基于MEC

[7]贾

利用有机废弃物产氢技术将成为未来生物产能技术

中研究领域的热点。以MEC技术利用各种富含有机质、无机难降解物质的废弃物作为反应底物为今后充分利用有机废弃物等生物质资源进行产能提供了广阔的前景。虽然国内外研究者对MEC产氢性能改善就目前研究现状而言，方面进行了有效的尝试，但是，

MEC作为新兴制氢技术，其中涉及有关预处理方式、底物类型、微生物菌群、外加电压等对产氢效率的影响研究理论还很不完善，笔者认为还需从以下各方面来不断完善MEC的研究：—330—

[J].农业环境科学学报,2013:2395-2402.（12）

东,乔莎莎.发酵脱氢产氢过程对微生物铁还原的影响

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