专利名称：天然混合厌氧产氢微生物的筛选方法
技术领域：
本发明涉及一种生物制氢的方法，重点涉及一种天然混合厌氧产氢微生物的筛选方法。
背景技术：
与其它传统的能源燃料相比，氢气具有能量密度高、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，在燃烧过程中除生成水外，不产生温室气体和其它环境污染物；氢能热值高，大约为石化燃料的三倍。氢气可广泛应用于石油化工、化学制药、电子等行业，也是航空航天、电动机车、现代城市公共交通工具的理想燃料。
现有的氢气制备方法通常由石油裂解或电解水得到，前者需要消耗化石燃料，也不利于环境的改善；后者需要消耗大量的电能，只有在电能充足的地方才有可能，而且是不经济的。生物制氢包括利用光合细菌制氢和利用厌氧菌制氢，由于前者需要提供光能，光合细菌的产氢速率较低，产氢过程复杂，制氢成本可能是昂贵的，在实际应用过程尚存在一些技术问题有待克服，迄今未见实际应用的报道。与上述制氢方法相比，利用厌氧菌进行生物制氢具有高效、节能、经济等诸多优点，正在引起人们的浓厚兴趣。厌氧发酵生物制氢的关键是产氢微生物的筛选，早期的研究中人们曾通过纯细菌培养的方法获得厌氧产氢微生物，但这种方法技术条件要求苛刻，底物的应用种类有限；利用天然产氢微生物进行生物制氢适用于不同类型的底物，微生物的筛选过程也更为简便，生物制氢成本可显著降低。中国发明专利CN1088185A 92114474.1，报道了以厌氧活性污泥为产氢微生物，通过有机废水的厌氧发酵制备生物氢气，但专利中没有涉及从厌氧活性污泥中分离筛选产氢微生物的具体操作条件；美国发明专利US 5464539报道了利用微生物的产氢过程，通过在含有有机物的废水中加入米壳或锯屑作为碳源，加入市政污泥，在提升温度条件下(40～70℃)通过强制曝气得到的污泥堆肥可直接用于生物制氢，也可在敞开的空气环境中储存一到数月后使用；然后将污泥堆肥加入到含有底物和营养液的废水中，在60℃的温度下通过厌氧发酵可生产出氢气。虽然上述专利报道了产氢微生物(污泥堆肥)的筛选过程以及生产氢气的方法，但产氢微生物(污泥堆肥)的筛选需在提升温度条件下曝气，而且生物制氢需在高温厌氧条件下(40～70℃)才能完成。
也有一些出版物报道了利用厌氧微生物生产氢气的方法，但关于厌氧产氢微生物的筛选方法都缺乏具体的描述，关于氢气产率和稳定性的问题也没有得到完全的解决。
发明内容
针对现有生物制氢技术中存在的产氢微生物获得困难、分离筛选方法繁杂的技术缺陷，本发明的目的在于提供一种高效、简便、经济的天然混合厌氧产氢微生物的筛选方法，实现持续、稳定、高效和经济产氢的目的。
本发明的技术方案是以下述方式实现的一种天然混合厌氧产氢微生物的筛选方法，它包括如下步骤对天然产氢菌源用物理方法进行处理，使非产氢菌和其它病源微生物的活性得到抑制，对天然产氢菌源通过进行强制曝气或红外线加热，使非产氢菌和其它病源微生物完全失去活性，但产氢微生物能够存活。强制曝气法是将含有天然产氢菌源和水的悬浮液在室温～40℃的温度条件下，用空气泵对上述悬浮液进行连续或间歇式强制曝气；红外线加热法是用红外线加热的方式对天然产氢菌源进行干燥烘干处理，烘干至无水份状态。
这里所说的天然产氢菌源是指牲畜粪尿堆肥、家禽粪尿堆肥、秸秆堆肥、活性污泥、种植大豆和土豆的土壤。
在强制曝气法中，天然产氢菌源和水的悬浮液的温度为室温～40℃，最好为30～37℃。
曝气时天然菌源与水之间的比例为1∶1～1∶20(体积比)。
强制曝气为连续式或间歇式强制曝气，曝气时间最低为0.5小时。
天然混合厌氧产氢微生物在生物制氢中的应用，它是在生物制氢厌氧反应器中加入经筛选的天然混合厌氧产氢微生物、产氢底物和营养液，按照已知的厌氧氢发酵生物制氢方法即可产生氢气。
本发明的发明点在于采用强制曝气法和红外线干燥法可使非产氢微生物(主要是甲烷菌)及其它病源微生物完全失活，只有产氢微生物能够存活。本发明所筛选出的天然混合厌氧产氢微生物在中温厌氧发酵(36～37℃)条件下即可稳定、高效的产生氢气。
将本方法用于含碳水化合物的有机废水或农业固体废弃物的生物制氢都可获得良好的产氢效果。在生物制氢过程中，当所用的底物为糖和淀粉类含碳水化合物的有机废水时，用强制曝气法得到的产氢微生物进行生物制氢时，可获得最大的产氢能力；当所用的底物为农业固体废弃物时，本发明提供的二种产氢微生物的筛选方法均可获得良好的产氢效果。红外干燥法特别适用于从被农药污染的土壤、堆肥或污泥中筛选天然产氢微生物。
以含糖和淀粉类碳水化合物的有机废水，农作物秸秆、农副产品下脚料等农业固体废弃物为底物，通过已知的厌氧发酵生物制氢方法，可稳定、高效、经济的产生氢气。
按照上述二种产氢微生物筛选方法的任何一种方法，均可从任何天然产氢菌源中筛选出天然产氢微生物。
红外线加热法将天然产氢菌源置于红外干燥箱中加热烘干脱水，在红外线干燥条件下，产甲烷菌及其它病源微生物完全失活，只有产氢菌能够存活。经红外烘干后的天然菌源可直接作为厌氧产氢微生物使用，也可将其用水浸取后取上清液使用，二者具有等同的效果。
本发明的积极效果是提供了可从任何天然产氢菌源中筛选天然混合厌氧产氢微生物的有效方法，本方法不仅适用于含糖和淀粉类碳水化合物有机废水的生物制氢，也适应于农作物秸杆、农副产品下脚料等农业固体废弃物的生物制氢。产氢微生物筛选方法简便可行，生物制氢成本显著降低。整个制氢过程简便、经济，产氢量大，容易实施，可实现持续、稳定产氢的目的。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步详细说明实施例1在1000mL烧杯中加入100克活性污泥(郑州污水处理厂)和800mL水，然后将其置于36℃恒温水浴中。在恒温条件下用空气泵鼓入空气进行连续强制曝气，曝气时间两小时。曝气结束后，上清液作为接种菌用于厌氧发酵产氢。
在500毫升厌氧反应瓶中，分别加入上述上清液100毫升、加入含蔗糖10克/升的人工废水，营养液3毫升(每升营养液中包含NH4HCO32.0g；CaCO31.5g；KH2PO41.0g；MgSO4·7H2O100mg；NaCl10mg；Na2MoO4·2H2O10mg；CaCl2·2H2O10mg；MnSO4·7H2O15mg；FeCl22.78mg)，调节溶液初始PH值约为7，用水稀释至300毫升，用氮气吹扫后密封瓶口，将其置于36±1℃恒温条件下进行厌氧发酵，用气相色谱定时检测生物气体积和氢气浓度。整个产氢过程持续106小时，蔗糖的最大产氢能力为193.8毫升氢气/克蔗糖，最大氢浓度为50.8％，整个产氢过程没有检测到甲烷气体。
实施例2将活性污泥(污泥来源郑州污水处理厂)100克置于搪瓷盘中，摊成0.5～1厘米厚的薄层，将其置于红外干燥箱中烘干45分钟，碾碎，其他条件同实施例1，测得生物气中氢气的最大浓度为60.5％。整个产氢过程持续118小时，蔗糖的最大产氢能力为148毫升氢气/克蔗糖，最大氢浓度为59％，整个产氢过程没有检测到甲烷气体。
实施例3将实施例1中的蔗糖用麦麸代替，麦麸浓度100g/L，曝气温度为30℃，其它条件同实施例1。整个产氢过程持续约131小时，麦麸的最大产氢能力为69.5毫升氢气/克麦麸，最大氢浓度为59％，整个产氢过程没有检测到甲烷气体。
实施例4将实施例2中的蔗糖用麦麸代替，麦麸浓度100g/L，其它条件同实施例2。整个产氢过程持续128小时，麦麸的最大产氢能力为69毫升氢气/克麦麸，最大氢浓度为60.5％，整个产氢过程没有检测到甲烷气体。
实施例5将实施例1中的活性污泥用牛粪堆肥(堆肥来源郑州郊区牛奶厂)代替，在25℃的恒温条件下进行间歇式强制曝气10小时(每次曝气1小时，间歇1小时)，调节溶液初始PH值约为7，其它条件同实施例1。整个产氢过程持续110小时，蔗糖的最大产氢能力为238.1毫升氢气/克蔗糖，最大氢浓度为51％，整个产氢过程没有检测到甲烷气体。
实施例6将实施例2中的活性污泥用牛粪堆肥(堆肥来源郑州郊区牛奶厂)代替，用淀粉代替蔗糖，调节溶液初始PH值约为8，其它条件同实施例2。整个产氢过程持续165小时，淀粉的最大产氢能力为169.8毫升氢气/克淀粉，最大氢浓度为62％，整个产氢过程没有检测到甲烷气体。
实施例7将实施例2中的活性污泥用牛粪堆肥(堆肥来源郑州郊区牛奶厂)代替，蔗糖用淀粉代替，调节溶液初始PH值约为8，其它条件同实施例2。整个产氢过程持续165小时，淀粉的最大产氢能力为166毫升氢气/克淀粉，最大氢浓度为60.5％，整个产氢过程没有检测到甲烷气体。
实施例8将实施例7中的淀粉用啤酒酒糟代替，调节溶液初始PH值约为7，其它条件同实施例7。整个产氢过程持续85小时，酒糟的最大产氢能力为5.4毫升氢气/克酒糟，最大氢浓度为51％，整个产氢过程没有检测到甲烷气体。
权利要求
1.一种天然混合厌氧产氢微生物的筛选方法，它包括如下步骤用物理方法对天然产氢菌源进行处理，抑制非产氢微生物和病源微生物的活性，其特征在于对天然产氢菌源通过强制曝气法或红外线加热法使非产氢微生物和病源微生物失去活性，强制曝气法是将天然产氢菌源和水的悬浮液在室温～40℃的温度条件下，通过用空气泵进行强制曝气；红外线加热烘干法是通过红外线加热干燥的方法将天然产氢菌源烘干，烘干至无水份状态。
2.根据权利要求1所述的天然混合厌氧产氢微生物的筛选方法，对天然产氢菌源进行强制曝气时，其特征在于曝气温度为30～37℃。
3.根据权利要求1～2所述的天然混合厌氧产氢微生物的筛选方法，对天然产氢菌源进行强制曝气时，其特征在于曝气时间最低在0.5小时。
4.根据权利要求3所述的天然混合厌氧产氢微生物的筛选方法，对天然产氢菌源进行强制曝气时，其特征在于曝气时天然产氢菌源与水的比例1∶1～1∶20(体积比)。
5.根据权利要求4所述的天然混合厌氧产氢微生物的筛选方法，对天然产氢菌源进行强制曝气时，其特征在于强制曝气为连续式或间歇式强制曝气。
6.根据权利要求1所述的天然混合厌氧产氢微生物的筛选方法，其特征在于红外线加热是用红外灯或红外加热管进行烘干的干燥设备。
全文摘要
本发明提供了从天然产氢菌源中筛选天然混合厌氧产氢微生物的有效方法。用物理方法对天然产氢菌源进行处理，抑制非产氢微生物和病源微生物的活性，其特征在于对天然产氢菌源通过强制曝气法或红外线加热法使非产氢微生物和病源微生物失去活性，强制曝气法是将天然产氢菌源和水的悬浮液在室温～40℃的温度条件下，通过用空气泵进行强制曝气；红外线加热烘干法是通过红外线加热干燥的方法将天然产氢菌源烘干，烘干至无水份状态将其作为产氢微生物用于生物制氢，可实现持续、稳定、高效、经济生产氢气的目的。本发明广泛适用于含碳水化合物的有机废水，农作物秸秆、农副产品下脚料及其它农业固体废弃物的生物制氢。
文档编号C12Q1/04GK1488758SQ0312634
公开日2004年4月14日 申请日期2003年9月5日 优先权日2003年9月5日
发明者樊耀亭, 侯红卫, 任保增 申请人:郑州大学