专利名称：暗-光发酵偶联制氢的方法
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 W Van, Sang-Eim Oh, Bruce E. Log肌Biohydrogen gas production from food processing and domestic wastewaters. Int J Hydrogen energy30 (2005))、酉良
酒厂酒糟产氢(Yao-Ting Fan, Gao-sheng Zhang et aL Biohydrogen-production from beer lees biomass by cow dung compost. Biomass and Bioenergy 30(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恨低，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C0D，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。
在一个实施方案中，步骤(a)包括如下步骤将经预处理的牲畜粪堆肥按 10-150g/L接种到所述厨余垃圾或者所述发酵有机废水中，在30-40°C、常压下进 行黑暗发酵，发酵液的pH值调控到3.0-7.5，产氢整个过程为2-3天。在更为优 选的实施方案中，步骤(a)包括如下步骤将经预处理的天然堆肥的牛粪按60-80g/l接种到所述厨余垃圾或者所述发酵有机废水中，在36-39°C、常压下进行黑 暗发酵，发酵液的pH值调控到5. 0-7. 5，产氢整个过程持续时间为2-3天，搅拌 速度为100-500rpm/min。
在另一的实施方案中，步骤(b)包括如下步骤按2-8%的接种量将光合细菌 接种到步骤(a)的发酵液中，在25-33°C、常压、p服.5-7.5、光强2000-5000lux 下进行光发酵产氢。在更为优选的实施方案中，步骤(b)包括如下步骤按2-8% 的接种量将光合细菌接种到步骤(a)的发酵液中，在25-33°C、常压、pH6. 5-7. 2、 光强2000-50001ux下厌氧发酵。
在另一较佳的实施方案中，所述厨余垃圾的初始浓度为10-40g/l-TS， 15-60g/l-COD, 10-30g/l-T0C。
在另一较佳的实施方案中，所述发酵有机废水的COD为10-70g/L。
在另一较佳的实施方案中，在步骤(b)中，光厌氧发酵产氢持续时间为3 — 7天。
本发明与单纯利用黑暗发酵产氢方法相比，具有以下优点
首先，本发明把黑暗发酵和光厌氧发酵生物制氢偶联起来，该方法产氢速率 快、底物转化效率高、制氢成本低。
第二，在暗-光偶联发酵产氢后的发酵液中，检测剩余有机酸只剩下丁酸， 其剩余的浓度很低(不到lmM(0.008%))，避免了暗发酵产生的丰富有机酸污染环 境的隐患，可以实现利用废弃物生物质清洁生产氢气的目的，经菌体综合利用后， 发酵液达到清洁排放标准，这对污水处理变废为宝起到了巨大的推动作用。
第三，本发明通过利用预处理的牲畜粪天然堆肥的(如牛粪)混合微生物作 为接种体，从而使得暗发酵的产氢总量和速度有了进一步的提高。
第四，本发明的方法以废弃生物质(如食堂的厨余垃圾，玉米生产乙醇的发 酵废水等)为碳源供给菌体生长和转化成氢气，从而降低了该方法的成本，实现 了变废为宝的循环经济。
具体实施方案
具体而言，本发明提供了一种发酵产生氢气的方法，该方法包括以下步骤
(a) 以含碳有机废弃物为发酵底物，用经预处理的天然堆肥的牲畜粪混合菌 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)所得含有有机酸的发酵液进行光厌氧发酵，产生氢气。
本发明是一种黑暗发酵产生氢气和光厌氧发酵产生氢气偶联起来从而实现 发明目的的方法，具体而言，是将黑暗发酵过程的产物作为光厌氧发酵过程的发 酵底物。
在本发明的黑暗发酵过程(即步骤(a)，也称为"暗发酵")中，采用了含碳 有机废弃物作为发酵底物。
本说明书通篇使用的术语"有机废弃物"具有本领域技术人员所通常认可的
含义，其通常包括，但不局限于食品加工废渣；厨余垃圾或下脚料；农田和果 园残留物，如秸秆、残株、杂草、落叶、果实外壳、藤蔓、树枝和其他农林业特 别是林场废物；农林产品加工下脚料、林木及板材边角料及锯木屑等；牲畜、家 禽和人粪；污泥等。术语"含碳"意指所述有机废弃物中含有微生物发酵可利用
的碳源，如糖类、淀粉、纤维素等碳水化合物。适用于本发明方法的"含碳有机 废弃物"宜含有大量碳水化合物或主要组分为碳水化合物，优选厨余垃圾或发酵 有机废水。
本说明书通篇使用的术语"厨余垃圾"或"厨余生活垃圾"是可以互换的， 它们具有本领域技术人员所通常认可的含义，具体是指在厨房加工过程中废弃的 混合物以及食堂、餐厅、饭店、宾馆等餐饮场所就餐后剩余的米饭、面食、蔬菜、 各种肉类、油脂、骨头等废弃物的混合物。在一个较佳的实施方案中，宜在用于 本发明方法之前用搅拌机、粉碎机等常规手段或装置将所述厨余(生活)垃圾加水 粉碎混匀，制得发酵液。
本说明书通篇使用的术语"发酵有机废水(废液)"具有本领域技术人员所通 常认可的含义，具体是指以发酵形式生产各种有机产品(具体如乙醇、拧檬酸等) 的过程中所产生的富含有机物的废液或废水。从来源方便并充足以及废液组成波 动小等角度考虑，宜采用来自工业大规模发酵后产生的废液，如工业发酵生产柠 檬酸产生的废液、工业发酵生产乙醇产生的废液等等。然而，本领域技术人员在 阅读了本发明教导的技术方案后也完全能够理解，还可以采用其他来源的发酵有机废液，例如来自实验室发酵所产生的废液等，它们也包括在本发明的术语"发 酵有机废水(废液)"的范围内。
总的来说，适用于本发明的黑暗发酵过程的原料宜含有大量的碳源(如糖类 或淀粉等碳水化合物)，有的可能还含有一些氮源。为了使黑暗发酵的产氢效率 进一步提高，本领域技术人员还可以根据公知的技术在其中添加其他合适的碳 源、氮源和其它营养源。例如，碳源可以是淀粉、糊精、甘油、葡萄糖、蔗糖、 肌醇、甘露醇等。氮源可以是蛋白胨、大豆粉、肉膏、米糖、麦皮、酵母粉、玉 米浆、以及其它有机或无机含氮化合物。另外，培养基中还可适当加入一些无机 盐类，如氯化钠、磷酸盐如磷酸氢二钾和磷酸二氢钾、硫酸锰、硫酸镁、碳酸钙 等金属盐。
在一个示例性的实施方案中，可在厨余垃圾或者发酵有机废水中添加
KH2P04 1.5g/L， Na2HP04. 12H20 4. 2g/L，谷氨酸lg/L，酵母抽提物2g/L， MgCL2 0. 18g/L， FeS04 0. lg/L，调其pH 3. 0-7. 5。本领域技术人员可对发酵底物中所 加入的物质及其含量进行适当的调节。在一个优选实施方案中，用于黑暗发酵的 发酵液的浓度宜控制在以下范围内10-40g/l-TS(废弃物干重)，15-60g/l-C0D(化学需氧量)，10-30g/L-T0C(总有机碳)，总氮0. 5-1. 5g/L，总磷100-500mg/L， NH4+ 60-120mg/L。发酵液的pH宜调节至3. 0-7. 5范围内。当然，如果 所用发酵底物(如发酵工业废水)中的有机物含量过高，则也可对其进行适当的稀 释。
在黑暗发酵的过程中，本发明采用了经过预处理的天然堆肥的牲畜粪作为产 氢的菌群。本说明书通篇使用的术语"牲畜粪(堆肥)"、"天然堆肥的牲畜粪"具 有本领域技术人员熟知并认可的含义，其具体是指牛、马、羊等牲畜的粪堆肥混 合物。在一个示例性的实施方案中，采用了天然堆肥(即在露天自然状态下堆积) 的牛粪。为了提高黑暗发酵产氢产酸的效率和速度，需要在黑暗发酵之前对所用 的天然堆肥的牲畜粪进行预处理，以便除去或杀死非孢子状态的吸氢菌(如甲烷 菌)，而留下孢子状态的产氢产酸菌群。 一个优选的预处理方案是将天然堆肥的 牲畜粪在IO(TC下煮沸l-60分钟(优选10-30分钟)。然后，将所述经过预处理的
天然堆肥的牲畜粪接种到如上所述的预先配制的发酵液中。接种量可以由本领域
技术人员根据具体情况进行合适的调节或选择，其通常在10-150g/L范围内，优 选在60-80g/L。
黑暗发酵可按照本领域中的常规技术进行，例如在常温(温度范围为30-40
。C，优选为37。C)常压下黑暗发酵，搅拌转速为100-500rpm/min(如300rpm/rain)， 发酵液pH始终控制在3.0-7.5左右，优选为5.0-7.5。在发酵开始7-8小时后， 就开始收到氢气，整个产氢过程的水力持续时间为2-3天，例如50小时左右。 黑暗发酵在产生氢气的同时，也产生了低分子量的有机酸(主要是有1-6个碳原 子的有机酸，例如乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、异丁酸等)。
然后，将黑暗发酵后发酵液转移到其他容器中或在原位进行光厌氧发酵(或 在文中简称为"光发酵")。在进行光厌氧发酵前，可能需要根据有机酸的浓度 对其进行适当稀释，以使其有机酸的浓度处于所用光合细菌的最佳产氢浓度。具 体的稀释比例可由本领域技术人员根据具体的光合细菌来确定。
另外，在进行光厌氧发酵之前，还可以任选地对黑暗发酵后的发酵液进行预 处理或调配。例如，可在发酵液中再补充一些光合细菌生长所需的营养元素。在 一个示例性的实施方案中，可在每升发酵液中补充基本盐液40-60ml (每升基本盐 液组成为MgS04,7H20 4g， CaCl2.2H20 1. 5g， FeS04.7H20 0. 236g， Na2EDTA 0. 4g， 微量元素液20ml)，生物素液1-2ml，磷酸缓冲液7.5ml，谷氨酸lg，然后调节 发酵液pH到6. 5-7.2。然而，应当理解，这样的调节和补充是本领域技术人员根 据常规技术和适当实验就能够实现的，本发明的范围并不局限于这些特定的培养 基组成或补充液组成。
光合细菌能够将低分子有机酸(有1-6个碳原子的有机酸)彻底降解为氢气和 二氧化碳。可用于本发明的光合细菌包括，但不局限于类球红细菌、荚膜红细菌。 然而，本领域技术人员能够认识到，本发明还可以采用其他能够利用有机酸进行 光发酵产氢的紫色非硫细菌。它们可以单独或组合用于本发明的光厌氧发酵步骤 中。
在进行光厌氧发酵步骤前，可先将光合细菌在合适的培养基中在暗处进行预 培养。该培养基可由本领域技术人员根据具体所用的光合细菌种类来进行适当的 选择和调配。在一个示例性的实施方案中，所用培养基含有30mM苹果酸和7mM 谷氨酸。预培养的温度为25-33"左右，搅拌转速为200rpm/分钟，在黑暗下培 养20-28小时。然后，将该光合细菌培养液作为光厌氧发酵产氢的菌体接种液， 以2-10%的接种量接种到发酵液中。在一个优选的实施方案中，所述光合细菌的 OD值约为1.7-2.2,更佳为1.9左右。
光厌氧发酵产氢可按照本领域中的常规技术进行，产氢条件为常温(温度为 25-33。C左右，优选3(TC)、常压、pH控制在6. 8-7. 2(优选7. 0)、光强为2000-
50001ux (优选为4000lux)，水力停留时间为3-7天左右。
光厌氧发酵结束后，可用常规方法检测发酵液中的剩余有机酸(如乙酸、丁 酸等)的含量。由于本发明的一个特点是使得光厌氧发酵后的发酵液中的有机酸 浓度达到直接排放的标准，因此还可在光厌氧发酵的过程中，通过对有机酸进行 取样分析来不断调节，以确定最适的发酵液组成和培养条件。在本发明的一个优 选的实施方案中，丁酸的含量低于lmM，因此该发酵液可以直接排放。
本发明的暗-光发酵偶联产氢的具有以下特征
(1) 第一步黑暗混合菌群产氢速率非常快，可以达679ml H2/l.h，并且启动 产氢时间为接种后7-8小时就快速产氢，&含量占到混合气体((:02和H2)60-70%， 同时有丰富的乙酸，丙酸，丁酸，戊酸，异丁酸等产生；
(2) 第二步光厌氧发酵产氢时，光合细菌能够把第一步产生的有机酸高效转 化成高纯度的氢气(氢气含量为90-99%)和少量C02。这样的暗-光发酵偶联法产 氢，以厨余生活垃圾产氢为例，当厨余垃圾发酵液初始浓度为30g/l-TS时，能 够实现每克干重厨余垃圾产氢最高达550ml (550ml H2/g-TS相当于304ml H2/g-COD),这与目前其他研究者利用固体废弃物暗发酵产氢报道(140-190ml H2/g_TS 相当于110-140mlH2/g-C0D)相比，产氢量增加了 250%左右，同时能实现将光厌 氧发酵产氢后的发酵液达到清洁排放。这样的暗-光发酵产氢工艺，不仅能把生 活垃圾和发酵有机废水中废弃生物质高效转化成清洁能源-氢能，而且可以消除 废水中有机酸带来的环境污染。
以下通过实施例对本发明的内容进一步详细地加以说明。
实施例一用食堂厨余垃圾生物制氢
1、 产氢菌群的预处理取天然堆肥过的牛粪，在IO(TC煮沸15min。
2、 食堂厨余垃圾暗发酵液的配置从学生食堂直接取回厨余生活垃圾(主要 是米饭、青菜、果皮及各种肉类和骨头等被食堂弃掉的混合物)，测其含水量大 约为65%-70%，然后直接用搅拌机把厨余垃圾加水搅碎混匀。再向混匀的厨余 垃圾中添加一些营养元素KH2P04 1. 5g/L， Na2HP04. 12H20 4. 2g/L，谷氨酸lg/L， 酵母抽提物2g/L， MgCl2 0. 18g/L， FeS04 0. lg/L，调其pH 6. 0。测其配好的厨 余生活垃圾发酵液的浓度，30g/L-TS， 54.2g/L-C0D，25.2g/L-TOC，总氮1. 04g/L， 总磷200mg/L， NH4+ 98. 4mg/L， COD:N:P为260: 5: 1。
3、 向配置好的厨余垃圾发酵液中，直接添加预处理好的天然牛粪(按每升发
酵液添加60g牛粪)，进行黑暗发酵。整个黑暗发酵过程在一个体积为250ml(发 酵液体积为150ml)的玻璃反应器中进行，温度控制在36-39。C范围内，静置，常 压下黑暗发酵产氢产酸。
4、 产氢产酸的过程在发酵开始7-8h后，就开始收到氢气，整个产氢过程 为50h，最大产氢速率为660ml/L.h，氢气含量为混合气体的40%-68% 。每克干 重厨余垃圾产氢213ml氢气(213mlH2/g-TS相当于约120mlH2/g-COD)，每升这样 的发酵液在暗发酵过程产纯氢6.39L，同时产主要有机酸乙酸和丁酸分别为 3. 57g/L和10. 65g/L.
5. 光合细菌利用暗发酵后的发酵液进行光厌氧发酵产氢 将暗发酵液适当稀释，使其有机酸的浓度为光合细菌类球红细菌(DSM158，
获自德国菌种数据库(http:〃ww. dsmz.de))利用有机酸的最佳产氢浓度乙酸为 35mM， 丁酸为50rnM。在稀释好的发酵液中再补充一些光合细菌生长所需的营养元 素1L发酵液中补充基本盐液50ml(lL基本盐组成MgS04.7H20 4g， CaCl2. 2H20 1.5g， FeS04. 7H20 0. 236g， Na2EDTA 0. 4g，微量元素液20ml)，生物素液lml， 磷酸缓冲液7. 5ml，谷氨酸lg，然后调发酵液pH到7.0，再分别分装37ml发酵 液到38ml的玻璃试管中，再添加lml预先培养好的光合细菌菌液，在光强 40001ux，温度3(TC的条件下光厌氧发酵产氢。产氢持续时间为7d左右，每升未 稀释的暗发酵产氢后的发酵液在光厌氧发酵中能产10. 1L纯氢。光厌氧发酵产氢 结束后，检测发酵液中的剩余有机酸为丁酸少于lmM(即0.008%)。
暗-光发酵产氢综合起来每克干重厨余垃圾最高能转化成550mlH2/g-TS， 暗发酵产氢最高速率达660mlH2/L.h，光厌氧发酵在38ml反应器中最高速率达 95mlH2/L.h。并且在光厌氧发酵产氢后，检测剩余有机酸含量为0.008%，经菌体 综合利用后，发酵液可以直接达标排放，不带来环境污染。
实施例二厨余垃圾产氢反应体积的放大
预处理好的牛粪混活菌群和生活垃圾暗发酵的组成成分、及其浓度与实施例 一完全相同，只是将发酵反应器扩大在5 L的玻璃反应器中进行，发酵液体积为 3.5 L，搅拌转速为450rpm/rain，温度控制在36-39。C范围内，常压下黑暗发酵产氢。
接种后7-8h开始产氢。在开始产氢15min后，氢气含量就占到混合气体(H2 和C02)的50X以上，最高占到混气65%，直到产氢结束时，氢气含量没有低于50%。最大产氢速率为679ml/L.h，整个产氢过程的水力持续时间为40h，在产氢 的同时，产生了大量的有机酸，分别是乙酸、丁酸、丙酸和戊酸，分别为4. 54g/L、
5. 38g/L、 0. 72g/L、 0. 068g/L.每克干重厨余垃圾产氢132ml (132mlH2/g-TS)，每 升这样的暗发酵液产纯氢约4L。
将第一步暗发酵产氢后的发酵液适当稀释后，按照实施例一那样，补充光合 细菌所需的微量元素和氮源，并且调pH到7.0，接种5%的预先培养好的光合细 菌类球红细菌DSM158菌液到光厌氧发酵罐中(6L的玻璃反应器)，搅拌转速 400rmp/min，其余光厌氧发酵条件与实施例一相同。在光合细菌接种5h后开始 产氢，氢气含量占到混合气体(C02和H》的90%以上，经吸收C02装置处理后， 氢气纯度达99. 99%.整个光厌氧发酵产氢过程的持续时间为5天，按稀释前的暗 发酵产氢后的暗发酵液计算，在光厌氧发酵过程中，每升暗发酵液产氢8.12 L。 检测光厌氧发酵结束后的发酵液中剩余有机酸丁酸含有0.01%左右，其余有机酸 完全被转化为氢气和菌体蛋白。
综合暗-光偶联发酵扩大体积(3. 5L)产氢，每克干重厨余垃圾转化成氢气 400ml H2/g-TS，暗发酵最高产氢速率达679ml H2/L.h，在6L光厌氧发酵反应器 中，光厌氧发酵产氢最高速率达40mlH2/L.h，经菌体综合利用后，发酵液可以达 标排放。尽管暗-光发酵偶联扩大发酵产氢体积后，每克废弃物转化成氢气的量 比实施例一的小体积发酵产氢有所减少(这主要因为扩大后的光发酵反应器在设 计上有待改进，以免发酵罐内部的光合细菌接受光照不充足，使得固氮酶催化产 氢缺乏能量，导致产氢过早停止，有机酸利用不彻底)，但是与其他研究者仅仅 采用暗发酵法将废弃物转化成氢气(110-140ml H2/g-COD相当于140-190ml H2/g-TS)相比，不仅大大提高了废弃物转化成氢气的利用效率(本发明废弃物转化 成氢气最高达304ml H"g-COD相当于550ml H2/g-TS)，而且经暗-光发酵后，发 酵液中的剩余有机酸最多为0.01%左右，再经菌体综合利用后，可以直接达标排 放，有助于污水变废为宝的环保治理。
实施例三不同初始浓度的厨余垃圾生物制氢
预处理好的牛粪混活菌群和生活垃圾暗发酵的组成成分与实施例一、实例二 完全相同，只是将厨余垃圾暗发酵液的初始浓度改为18g/l-Tsjs.eg/i-coD, 20g/l-TOC,总氮0. 92g/L，总磷0. 45g/L， NH4+ 98. lmg/L，以及初始pH值调为
6. 0，在250ml的玻璃反应器(发酵液体积180ml)中进行，其余暗发酵产氢条件与
实例一、二相同。每批次暗发酵产氢持续时间为3天左右，产氢最高速率达
640mlH2/Lh，氢气含量最高达混气含量的(氢气和二氧化碳)68%，每克干重厨余 垃圾产氢182ml氢气(182mlH2/g-TS)，同时产有机酸主要为乙酸和丁酸，其分别 为3. 79g/L，丁酸4.98g/L。将其暗发酵液适当稀释到光合细菌DSM158利用乙酸 和丁酸的最佳浓度，并按实施例一所述，补充光合细菌所需的营养元素，调pH 值为7.0，然后按照实例一所述光发酵条件进行光发酵产氢。光发酵产氢整个过 程持续时间为7天左右，最高产氢速率为110ml/L.h,每升未稀释的暗发酵产氢 后的发酵液在光发酵产氢中产8. 12L的氢气(8. 12L H2/L)，测其光发酵结束后发酵 液，只检测到O. 008%的丁酸剩余，经菌体综合利用后，发酵液可以直接达标排放。 综合暗一光发酵产氢偶联，产氢结果为633mlH2/g-TS, 320 mlH2/g-C0D，比单 独使用厨余垃圾暗发酵产氢提高了 4倍左右，同时最后光发酵废水可以达标排放。
实施例四不同初始pH值的厨余垃圾生物制氢
预处理好的牛粪混活菌群和生活厨余垃圾暗发酵的组成成分、及其浓度与实 施例三完全相同，只是将生活厨余垃圾暗发酵液的初始pH值调为3. 5，其余的暗 发酵和光发酵产氢工艺条件与例三完全相同。结果是暗发酵产氢，整个产氢过程 持续了 3天，废弃物转化为氢的效率为147 mlH2/g-TS，有机酸主要是乙酸和丁 酸，分别为2. 70g/L， 3. 99g/L.将暗发酵液进行光发酵产氢，每升未稀释的暗发酵 结束后的发酵液在光发酵产氢6. 70L(6. 70LH2/L)，测试光发酵产氢结束后发酵液 中的有机酸，剩余有机酸为丁酸，有少于lmM(0.007y。)的丁酸剩余，经菌体综合 利用后，发酵液可以直接达标排放。综合暗一光发酵偶联产氢，每克干重厨余垃 圾产氢520 mlH2/g-TS，比单独暗发酵产氢提高了 3倍多。与实例三相比，暗发酵 液初始pH值为3. 5比pH值为6.0时，产氢总量和废弃物转化效率都降低了 1.2 倍。
实施例五天冠集团玉米发酵生产酒精废水用于制氢
将玉米发酵乙醇的废液(获自天冠集团)60.9g/1-C0D稀释3倍后，作为暗发 酵产氢产酸的底物，再以实施例一所述预处理好的牛粪混合菌群为接种物，按照 生活厨余垃圾暗发酵产氢的实施例一添加相应的微量元素和氮源，调pH6.0，温 度控制在36-39X:里，常压下暗发酵产氢。35h的产氢持续时间，每升暗发酵液 产氢800ml H2，产乙酸5. 4g/L，产丁酸1. Og/L。
将其暗发酵液稀释3倍后进行光合发酵偶联产氢，每升暗发酵产氢后的发酵
液液在光厌氧发酵过程中产纯氢7.69L,剩余有机酸丁酸不到lmM(0.007%)。综 合暗-光发酵产氢工艺，每升这样的玉米发酵酒精废水能够产氢20.8 L氢气。
综上所述，本发明符合国家可持续发展战略的能源政策和环境政策，表明人 类完全有可能实现变废为宝，生产清洁能源，并逐步替代石油产品，具有广阔的 应用前景和显著的经济效益和社会效益。
尽管本发明描述了具体的例子，但是有一点对于本领域技术人员来说是明显 的，即在不脱离本发明的精神和范围的前提下可对本发明作各种变化和改动。因 此，所附权利要求覆盖了所有这些在本发明范围内的变动。本文引用的所有出版 物、专利和专利申请均纳入本文作参考。
权利要求
1.一种发酵产生氢气的方法，其特征在于，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，产生氢气和有机酸的发酵液；(b)用光合细菌对步骤(a)所得有机酸发酵液进行光厌氧发酵，产生氢气。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述预处理是对牲畜粪天然堆肥煮 沸处理1-60分钟。
3. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述牲畜粪是牛粪。
4. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述光合细菌选自类球红细菌或荚 膜红细菌。
5. 如权利要求l所述的方法，所述含碳有机废弃物选自厨余垃圾或者发酵有机 废水。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述发酵有机废水选自柠檬酸发酵 废液或乙醇发酵废液。
7. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括如下步骤将经预处 理的牲畜粪堆肥按10-150g/L接种到所述厨余垃圾或者所述发酵有机废水中，在30-4(TC、常压下进行黑暗发酵，发酵液的pH值调控到3.0-7.5，产氢整个过程为2-3 天。
8. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括如下步骤按2-8%的 接种量将光合细菌接种到步骤(a)的发酵液中，在25-33°C、常压、pH6. 5-7. 5、光强 2000-50001ux下进行光发酵产氢。
9. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述厨余垃圾的初始浓度为10-40g/l-TS, 15-60g/l-C0D， 10-30g/l-TOC,总氮0. 5-1. 5g/L，总磷100-500mg/L， NH4+ 60-120mg/L。
10. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述发酵有机废水的COD为10-70g/l。
11. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，光厌氧发酵产氢持 续时间为3-7天。
全文摘要
本发明提供了一种发酵产生氢气的方法，特别涉及废弃生物质向氢能的清洁转化技术。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，产生氢气和有机酸的发酵液；(b)再用光合细菌对步骤(a)所得的有机酸的发酵液进行光厌氧发酵，产生氢气。本发明的方法具有产氢速率快、底物转化效率高、制氢成本低、发酵液达到清洁排放标准等优点。
文档编号C12R1/01GK101109014SQ20061002915
公开日2008年1月23日 申请日期2006年7月20日 优先权日2006年7月20日
发明者吴永强, 周志华, 陶用珍 申请人:中国科学院上海生命科学研究院