一种耦合系统实现同步脱氮制氢的可行性分析

一种耦合系统实现同步脱氮制氢的可行性分析

赖俊瑶

（四川大学建筑与环境学院，四川成都610065））

摘要：基于许多生化反应间可能存在协同效应，本文主要阐述了暗发酵生物制氢耦合反硝化实现同步脱氮制氢的方法提出、基本概念及其理论可行性。

关键词：暗发酵制氢；反硝化；耦合；可行性；概念

目前，全球约80%的能源来自于化石燃料的燃烧，但化石燃料储量有限，其主要产物二氧化碳会导致温室效应，其他的副产物如硫化物、氮氧化物等也会造成严重的环境污染。氢气是最具开发潜力的可再生能源之一，能量密度巨大（122kJ/g），具有高效、清洁、可再生的优点，利于环境保护与社会的可持续发展，其生产和利用技术的开发已成为当今科学研究的热点。因此，推进低成本高效率制氢具有重大意义。生物制氢可利用有机废水或废弃物，达到废水处理和回收氢能源的双重目的。有机废水暗发酵生物制氢技术具有高效清洁、产氢速率较快等优点。暗发酵生物制氢技术发展迅速，但目前仍存在一些因素抑制其工业化应用，如溶解性中间代谢产物（SMPs）抑制氢气的产生和释放、化学需氧量（COD）去除率较低、系统碱度消耗量大等。研究发现，在暗发酵产氢污泥中存在反硝化菌，因此，暗发酵生物制氢耦合反硝化系统若能同步实现脱氮除碳和氢气回收具有重大意义。

1.暗发酵生物制氢耦合反硝化方法的提出

在生化反应过程中，不同的生化反应耦合在一起时，不仅具有较高经济性，而且各生化反应间可能存在代谢交流或协同效应，从而促进各生化反应的进行。比如耦合反硝化与产甲烷反应，可同步脱氮除碳并回收能源；耦合硝化与反硝化过程，能在同一反应单元中实现同步硝化和反硝化，提高了硝化速率，并节约构筑物基建成本。反硝化过程与一些生化反应的耦合，不仅使耦合后的系统保留了耦合前两个独立系统的功能，而且耦合后的系统导致反硝化与部分生化反应出现协同作用，使得耦合后的系统比耦合前的独立系统具有更好的性能。因此，若将反硝化与暗发酵制氢耦合也可能存在协同效应。

2.暗发酵生物制氢耦合反硝化的概念

暗发酵制氢是指异养型厌氧细菌在不需要光源的条件下，以有机物为基质，通过暗发酵作用产生氢气的过程。反硝化作用是指反硝化细菌在缺氧条件下将硝酸盐（NO3¯）还原为亚硝酸盐（NO2¯）、一氧化氮（NO）、氧化亚氮（N2O），最终还原为氮气（N2）的过程。暗发酵生物制氢耦合反硝化是指在暗发酵生物制氢系统的进水中加入硝态氮，使得在同一反应器中能够同时进行暗发酵生物制氢过程和反硝化反应，实现含氮有机废水脱氮除碳和氢能源的回收，简称反硝化制氢。

3.反硝化制氢的理论可行性分析

反硝化和暗发酵制氢过程各自的反应条件有很大差异，反硝化过程一般在缺氧条件下完成，而暗发酵过程常在严格厌氧条件下进行，反硝化菌和暗发酵产氢微生物的生态位也有较大差异，理论上这两种微生物无法在同一环境下共存，但在1993年，Jørgensen和Tiedje成功从无硝态氮的严格厌氧条件下分离出了反硝化细菌（假单胞菌属Pseudomonassp.），说明反硝化细菌在严格厌氧条件下也可以生存。经文献调研，发现暗发酵产氢系统中常见的产氢细菌也同时具有反硝能力，如梭状芽孢杆菌属（clostridiumsp.）、芽孢杆菌属（Bacillussp.）、和柠檬酸杆菌属（Citrobactersp.）等。另外，在暗发酵产氢系统中，有部分产酸菌也具有反硝化功能，如小单胞菌属（micromonosporasp.）和月形单胞菌属（Selenomonassp.）等。由此可见，在暗发酵产氢污泥中存在具有反硝化功能的微生物，说明理论上暗发酵制氢污泥具有反硝化能力。因此，理论上通过控制适宜的反应条件，产氢细菌、反硝化细菌和产酸细菌可以在同一个系统中长期共存，并完成反硝化和暗发酵制氢过程，实现脱氮除碳和氢气的回收。

4.结语

暗发酵生物制氢耦合反硝化系统，不同于传统的暗发酵制氢和独立的反硝化脱氮系统，这种耦合系统可以同步实现反硝化脱氮和产氢的功能，显示出其独特的优势，通过本文的分析，这种新型制氢工艺理论上可行，极具科研价值，但反硝化制氢系统的脱氮除碳和产氢性能有待研究。

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作者简介：赖俊瑶（1995.06-），女，四川绵阳人，四川省成都市四川大学硕士研究生在读，主要研究方向：污水治理和水环境监测。