餐厨垃圾发酵生物制氢研究进展
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1 发酵产氢微生物与机理研究
1.1 发酵产氢机理研究
微生物发酵产氢的代谢途径主要有三条。 第一 条是EMP途径中的丙酮酸脱羧产氢。 相关的发酵微 生物一般含有与产氢密切相关的氢化酶和铁氧化 还原蛋白。 在丙酮酸脱羧过程中，产氢微生物将丙 酮酸首先在丙酮酸脱氢酶作用下脱羧，形成硫胺素 焦磷酸-酶的复合物， 同时将电子转移给铁氧还蛋 白，还原的铁氧还蛋白被铁氧还蛋白氢化酶重新氧 化，产生分子氢。 而丙酮酸脱羧之后形成了甲酸、二 氧化碳、乙醇、乙酸等一系列末端产物。 第二条途径 是在肠道杆菌存在的情况下，丙酮酸脱羧后形成的 部 分 甲 酸 裂 解 ，形 成 二 氧 化 碳 和 氢 气 。 此 外 ，Tanisho 等 对 ［1-4］ 产 气 肠 杆 菌 发 酵 产 氢 进 行 研 究 后 ，发 现 了 发酵产氢的第三条主要途径，为提出了辅酶Ⅰ的氧 化与还原调节平衡产氢假设假设，进一步完善了微
关键词：餐厨垃圾；发酵；氢气
中图分类号：X172
文献标识码：A
文章编号：1001-7119（2009）02-0226-07
Research Progress of Food Waste Fermentation for Bio-hydrogen Production
SUN Yingjun，DING Ying*，WU Weixiang
（Department of Environmental Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310029，China）
Abstract：Food waste is an important part of municipal solid waste，which is full of organic matter and easy to be degraded. Bio-hydrogen derived from food waste fermentation is one of the most promising technologies in the future. In this paper，the researches of fermentative hydrogen production in microbial mechanic technical，control condition，and kinetics models were reviewed. In addition，new approach for bio-hydrogen in fermentation was indicated.
Vol.25 No.2 Mar. 2009
科技通报
BULLETIN OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
第 25 源自文库 第 2 期 2009 年 3 月
餐厨垃圾发酵生物制氢研究进展
孙营军，丁 颖*，吴伟祥，陈英旭
（浙江大学 环境工程系，杭州 310029）
摘 要：餐厨垃圾是城市生活垃圾的重要组成部分，其有机质含量十分丰富，容易被微生物利用。 餐厨 垃圾厌氧发酵生物制氢技术被认为是最有发展前景的废弃物资源化技术之一。 本文综述了国内外餐厨 垃圾发酵生物制氢的微生物学机理、工艺控制条件及动力学模型方面的研究进展，并提出将来餐厨垃 圾发酵生物制氢研究的发展方向。
用纯菌种Clostridium posteurianum降解葡萄糖 ，氢 气的产量为1.5mol H2 ／ mol葡萄糖；Taguchi等［4］分离 得 到 了 一 株 产 氢 能 力 很 高 的 菌 种 Clostridium heijerincki AM21B， 产 氢 能 力 达 到1.8~2.0 molH2 ／ mol 葡 萄 糖 。 随 后 ， 他 们 又 从 白 蚁 体 内 分 离 出 Clostridium sp. No.2， 该菌种对木糖和阿拉伯糖具
条件下产氢的脱硫弧菌属（Desulfovibrio）。
目前，产氢微生物的研究工作大致可以分为两 类，纯菌种的筛选与混合菌种的培养。 从纯菌种的 筛选研究现状来看，研究者们对可以从自然界直接 获得的产氢菌种 （以梭状芽孢杆菌和肠杆菌为主） 进行了大量研究， 希望通过筛选适合的产氢微生 物，提高氢气产量与产生效率。 Brosseau和Zajic［3］利
1.2 发酵产氢微生物研究
通过多年研究发现， 发酵产氢的微生物主要
有 ： 肠 杆 菌 属 （Enterobacter）、 梭 菌 属 （Clostridium）、 埃希氏肠杆菌属（Escherichia）和杆菌 属 （Bacillus）
四大类， 其中有关前两类的研究与应用报道最多。 Fang等 ［2］对 混 合 菌 种 反 应 器 中 的 微 生 物 种 群 进 行 研究发现，肠杆菌属和梭菌属微生物是反应器中主 要微生物种群。 Gray将产氢微生物按发酵产氢过程 中氢的电子供体不同， 将产氢微生物分为三大类， 分别是：（1） 通过丙酮酸或丙酮酸式二碳单位产氢 的 专 性 厌 氧 细 菌 类 群 ， 以 梭 菌 属 细 菌 最 为 典 型 ； （2） 以细胞色素为电子供体，通过甲酸产氢的兼性厌氧 细 菌 类 群 ； （3） 介 于 （1） 与 （2） 之 间 的 过 渡 型 ， 在 无 硫
第2期
孙营军等.餐厨垃圾发酵生物制氢研究进展
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d，杭州也在1000 t ／ d左右。然而，由于我国城市生活 垃圾分类体系尚不完善，数量巨大的餐厨垃圾进入 其他城市生活垃圾处理体系中，对现有的城市生活 垃圾收运和处理处置产生了许多不良影响。 因此， 如何将推广餐厨垃圾单独收集，并进行高效资源化 已逐渐成为国内外餐厨垃圾处理研究关注的热点 之一。
长期以来，氢气被认为是一种清洁能源，也是 最理想的能源物质之一，用氢气替代普通化石燃料 可以有效避免大气污染与温室效应等环境问题。 然 而，氢气制取缺乏经济高效的技术手段，至今未能 突破工程应用的难题。 近年来，无需外加能源且成 本低廉的发酵生物制氢工艺得到了各相关领域的 重视。 发酵制氢技术是一种既能降解有机废水或废 物，还能产出清洁能源的生物制氢工艺，具有巨大 的发展潜力和工程应用前景，得到了越来越多科研 工作者的重视。 餐厨垃圾有机物含量极高，在去除 动物骨头、餐巾纸、筷子等少量杂质之后，挥发性固 体与总固体含量的比值（VS ／ TS）达到90%以上，十 分容易被生物降解。 此外，餐厨垃圾营养成分丰富， 配比均衡，是十分理想的厌氧发酵底物。 利用餐厨 垃圾生物降解获取清洁能源的发酵制氢工艺，对我 国固体废弃物污染控制及节能减排工作具有重要 意义。 本文对近年来餐厨垃圾发酵制氢技术在微生 物发酵制氢机理、工艺条件优化及动力学模型应用 方面所获得的研究进展进行综述。
2 发酵产氢影响因素及其研究进展
影响餐厨垃圾发酵产氢效率的因素主要有发 酵 底 物 特 性 、pH、ORP、 反 应 器 类 型 、 重 金 属 以 及 添 加剂等，在这方面国内外学者开展了大量的研究工 作。
2.1 发酵底物
餐厨垃圾成分复杂，是油、蔬菜、果皮、果核、米 面、鱼、肉、骨，以及废餐具、纸巾等的大杂烩，的主 要组分为蛋白质、脂肪和淀粉三大类，分别具有相 应的最佳发酵微生物与外界条件，难以实现餐厨垃 圾发酵产氢过程的最优化控制。 因此，很多研究者 利用餐厨垃圾中的单一组分，如蛋白质、脂肪、淀粉 与难降解的纤维类物质等，进行产气能力、最佳底 物与工艺控制条件方面的研究， 表1列举了相关的 代表性研究结果。 其中，Okamoto等 将 ［10］ 米饭、卷心 菜和胡萝卜三种物质在120 mL玻璃瓶里面进行中 温 （37±1）℃ 条 件 的 发 酵 产 氢 ， 达 到 了 较 高 的 产 氢 效 率 ：0.86 ~4.29 mmolH2 ／ gVSS 米 饭 ， 2.00 ~3.16 mmolH2 ／ gVSS 卷 心 菜 和 1.17 ~2.75 mmolH2 ／ gVSS 胡 萝卜。 目前。 的研究结果表明，碳水化合物如淀粉、 糖蜜等是十分理想的产氢底物，而蛋白质与脂肪的 发酵产氢效率较低； 部分氨基酸可以被氧化降解， 转化为相应的挥发性酸和氢气，而其中蛋白质的水 解成为发酵产氢的限速步骤；脂肪降解生成长链脂 肪酸和甘油，甘油可以迅速被降解利用，而长链脂 肪酸在缺乏产甲烷菌的条件下，难以通过微生物之 间的合营关系得到降解 。 ［11］
收 稿 日 期 ：2008-02-20 基金项目：浙江省科技厅重点项目(编号 2005C23052) 作 者 简 介 ： 孙 营 军 (1983-)，男 ，浙 江 人 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 从 事 固 废 污 染 控 制 与 资 源 化 研 究 。 * 通讯作者：erchu@zju.edu.cn
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科技通报
第 25 卷
Biohydrogenbacterium genus sp.， 极大丰富了产氢
菌种。 除了从自然界直接筛选高效产氢菌株以外，利
用各菌种之间的协同作用提高产氢效率也引起了 研究者的重视。 不同菌种利用的最佳底物也往往各 不相同，因此不同菌种混合培养可以提高如餐厨垃 圾这样的复杂有机物的产氢效率，这一点在众多的 研究中得到了证实。 Yokoi等［7］利用丁酸梭菌、产气 肠杆菌、 类红球菌共同降解甜土豆淀粉残留物，达 到平均产气量为4.6 molH2 ／ mol葡萄糖，并连续产气 30 d以上；Kim等［8］在实验室的血清瓶试验中，将餐 厨垃圾与污泥（以梭菌属为主）混合，产氢率达到 5.5 mmolH2 ／ gCOD；Han与Shin［9］同样利用污泥与餐 厨垃圾混合在厌氧滤床中发酵，使餐厨垃圾发酵效 率达到58%。
目前利用混合餐厨垃圾作为底物的研究日益 增多，主要目的在于综合各类因素，培养合适的混 合菌种， 研究最佳工艺控制条件和最大转化效率， 证实餐厨垃圾发酵产氢的可行性，相关的研究结果 见表1。 其中，杨占春等 用 ［12］ 主要成分为米饭的餐厨 垃圾在400 mL左右的反应器内进行半连续式的发 酵产氢，最大产氢速率达到486.6 molH2 ／ m3·d，混合 气 体 中 氢 气 含 量 为 65% ， 并 获 得 了 一 系 列 最 佳 的 工 艺控制条件。
Key words：fFood Wastewaste；Fermentationfermentation；Biobio-hydrogen
0 引言
餐厨垃圾指的是在居民日常生活以及食品加 工中产生的食物废料，主要来源于学校食堂、超市、
餐馆等餐饮服务业以及农贸市场等地点，是城市生 活垃圾的主要组成部分。 近年来，随着我国城市人 民生活水平的提高， 餐厨垃圾的产生量迅速增加。 据 统 计 ［1］， 国 内 主 要 城 市 的 餐 厨 垃 圾 产 生 量 均 已 超 过1000 t ／ d，其中北京高达1600 t ／ d，上海达1300 t ／
有很高的降解产氢能力。 该研究为发酵餐厨垃圾中 最难降解的纤维素物质提供了很好的思路。 Perego
等［5］利用产气肠杆菌Eenterobacter aerogenes NCIM B10102， 以 玉 米 淀 粉 的 水 解 产 物 为 底 物 ， 最 大 比 产 氢速度为10mmol H2 ／ gVSS·h。 我国学者任南琪等［6］ 研究发现了新一类的发酵产氢细菌， 通过16S rDNA 碱 基 序 列 的 测 定 ， 分 析 得 到 了 Rennanqilyf1、 Rennanqilf3 和 B49 等 菌 种 ， 并 将 这 些 微 生 物 命 名 为
生物发酵产氢主要途径的机理研究。 在该假设中认 为膜结合氢化酶具有2个活性位点， 分别位于细胞 膜的两侧， 在细胞质的位点与NADH相互作用，而 位于胞外周质的一侧的位点与质子相互作用产生 氢气。 还原型辅酶Ⅰ（NADH+H+）可以与一定比例 的丙酸、丁酸、乙醇或者乳酸发酵相耦联，被氧化成 氧 化 型 辅 酶Ⅰ（NAD+），确 保 了 代 谢 中 辅 酶Ⅰ还 原 型与氧化型的平衡，同时该过程使发酵产氢的最终 产物成分种类与含量发生了变化，成为划分发酵类 型的重要依据。
1.1 发酵产氢机理研究
微生物发酵产氢的代谢途径主要有三条。 第一 条是EMP途径中的丙酮酸脱羧产氢。 相关的发酵微 生物一般含有与产氢密切相关的氢化酶和铁氧化 还原蛋白。 在丙酮酸脱羧过程中，产氢微生物将丙 酮酸首先在丙酮酸脱氢酶作用下脱羧，形成硫胺素 焦磷酸-酶的复合物， 同时将电子转移给铁氧还蛋 白，还原的铁氧还蛋白被铁氧还蛋白氢化酶重新氧 化，产生分子氢。 而丙酮酸脱羧之后形成了甲酸、二 氧化碳、乙醇、乙酸等一系列末端产物。 第二条途径 是在肠道杆菌存在的情况下，丙酮酸脱羧后形成的 部 分 甲 酸 裂 解 ，形 成 二 氧 化 碳 和 氢 气 。 此 外 ，Tanisho 等 对 ［1-4］ 产 气 肠 杆 菌 发 酵 产 氢 进 行 研 究 后 ，发 现 了 发酵产氢的第三条主要途径，为提出了辅酶Ⅰ的氧 化与还原调节平衡产氢假设假设，进一步完善了微
关键词：餐厨垃圾；发酵；氢气
中图分类号：X172
文献标识码：A
文章编号：1001-7119（2009）02-0226-07
Research Progress of Food Waste Fermentation for Bio-hydrogen Production
SUN Yingjun，DING Ying*，WU Weixiang
（Department of Environmental Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310029，China）
Abstract：Food waste is an important part of municipal solid waste，which is full of organic matter and easy to be degraded. Bio-hydrogen derived from food waste fermentation is one of the most promising technologies in the future. In this paper，the researches of fermentative hydrogen production in microbial mechanic technical，control condition，and kinetics models were reviewed. In addition，new approach for bio-hydrogen in fermentation was indicated.
Vol.25 No.2 Mar. 2009
科技通报
BULLETIN OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
第 25 源自文库 第 2 期 2009 年 3 月
餐厨垃圾发酵生物制氢研究进展
孙营军，丁 颖*，吴伟祥，陈英旭
（浙江大学 环境工程系，杭州 310029）
摘 要：餐厨垃圾是城市生活垃圾的重要组成部分，其有机质含量十分丰富，容易被微生物利用。 餐厨 垃圾厌氧发酵生物制氢技术被认为是最有发展前景的废弃物资源化技术之一。 本文综述了国内外餐厨 垃圾发酵生物制氢的微生物学机理、工艺控制条件及动力学模型方面的研究进展，并提出将来餐厨垃 圾发酵生物制氢研究的发展方向。
用纯菌种Clostridium posteurianum降解葡萄糖 ，氢 气的产量为1.5mol H2 ／ mol葡萄糖；Taguchi等［4］分离 得 到 了 一 株 产 氢 能 力 很 高 的 菌 种 Clostridium heijerincki AM21B， 产 氢 能 力 达 到1.8~2.0 molH2 ／ mol 葡 萄 糖 。 随 后 ， 他 们 又 从 白 蚁 体 内 分 离 出 Clostridium sp. No.2， 该菌种对木糖和阿拉伯糖具
条件下产氢的脱硫弧菌属（Desulfovibrio）。
目前，产氢微生物的研究工作大致可以分为两 类，纯菌种的筛选与混合菌种的培养。 从纯菌种的 筛选研究现状来看，研究者们对可以从自然界直接 获得的产氢菌种 （以梭状芽孢杆菌和肠杆菌为主） 进行了大量研究， 希望通过筛选适合的产氢微生 物，提高氢气产量与产生效率。 Brosseau和Zajic［3］利
1.2 发酵产氢微生物研究
通过多年研究发现， 发酵产氢的微生物主要
有 ： 肠 杆 菌 属 （Enterobacter）、 梭 菌 属 （Clostridium）、 埃希氏肠杆菌属（Escherichia）和杆菌 属 （Bacillus）
四大类， 其中有关前两类的研究与应用报道最多。 Fang等 ［2］对 混 合 菌 种 反 应 器 中 的 微 生 物 种 群 进 行 研究发现，肠杆菌属和梭菌属微生物是反应器中主 要微生物种群。 Gray将产氢微生物按发酵产氢过程 中氢的电子供体不同， 将产氢微生物分为三大类， 分别是：（1） 通过丙酮酸或丙酮酸式二碳单位产氢 的 专 性 厌 氧 细 菌 类 群 ， 以 梭 菌 属 细 菌 最 为 典 型 ； （2） 以细胞色素为电子供体，通过甲酸产氢的兼性厌氧 细 菌 类 群 ； （3） 介 于 （1） 与 （2） 之 间 的 过 渡 型 ， 在 无 硫
第2期
孙营军等.餐厨垃圾发酵生物制氢研究进展
227
d，杭州也在1000 t ／ d左右。然而，由于我国城市生活 垃圾分类体系尚不完善，数量巨大的餐厨垃圾进入 其他城市生活垃圾处理体系中，对现有的城市生活 垃圾收运和处理处置产生了许多不良影响。 因此， 如何将推广餐厨垃圾单独收集，并进行高效资源化 已逐渐成为国内外餐厨垃圾处理研究关注的热点 之一。
长期以来，氢气被认为是一种清洁能源，也是 最理想的能源物质之一，用氢气替代普通化石燃料 可以有效避免大气污染与温室效应等环境问题。 然 而，氢气制取缺乏经济高效的技术手段，至今未能 突破工程应用的难题。 近年来，无需外加能源且成 本低廉的发酵生物制氢工艺得到了各相关领域的 重视。 发酵制氢技术是一种既能降解有机废水或废 物，还能产出清洁能源的生物制氢工艺，具有巨大 的发展潜力和工程应用前景，得到了越来越多科研 工作者的重视。 餐厨垃圾有机物含量极高，在去除 动物骨头、餐巾纸、筷子等少量杂质之后，挥发性固 体与总固体含量的比值（VS ／ TS）达到90%以上，十 分容易被生物降解。 此外，餐厨垃圾营养成分丰富， 配比均衡，是十分理想的厌氧发酵底物。 利用餐厨 垃圾生物降解获取清洁能源的发酵制氢工艺，对我 国固体废弃物污染控制及节能减排工作具有重要 意义。 本文对近年来餐厨垃圾发酵制氢技术在微生 物发酵制氢机理、工艺条件优化及动力学模型应用 方面所获得的研究进展进行综述。
2 发酵产氢影响因素及其研究进展
影响餐厨垃圾发酵产氢效率的因素主要有发 酵 底 物 特 性 、pH、ORP、 反 应 器 类 型 、 重 金 属 以 及 添 加剂等，在这方面国内外学者开展了大量的研究工 作。
2.1 发酵底物
餐厨垃圾成分复杂，是油、蔬菜、果皮、果核、米 面、鱼、肉、骨，以及废餐具、纸巾等的大杂烩，的主 要组分为蛋白质、脂肪和淀粉三大类，分别具有相 应的最佳发酵微生物与外界条件，难以实现餐厨垃 圾发酵产氢过程的最优化控制。 因此，很多研究者 利用餐厨垃圾中的单一组分，如蛋白质、脂肪、淀粉 与难降解的纤维类物质等，进行产气能力、最佳底 物与工艺控制条件方面的研究， 表1列举了相关的 代表性研究结果。 其中，Okamoto等 将 ［10］ 米饭、卷心 菜和胡萝卜三种物质在120 mL玻璃瓶里面进行中 温 （37±1）℃ 条 件 的 发 酵 产 氢 ， 达 到 了 较 高 的 产 氢 效 率 ：0.86 ~4.29 mmolH2 ／ gVSS 米 饭 ， 2.00 ~3.16 mmolH2 ／ gVSS 卷 心 菜 和 1.17 ~2.75 mmolH2 ／ gVSS 胡 萝卜。 目前。 的研究结果表明，碳水化合物如淀粉、 糖蜜等是十分理想的产氢底物，而蛋白质与脂肪的 发酵产氢效率较低； 部分氨基酸可以被氧化降解， 转化为相应的挥发性酸和氢气，而其中蛋白质的水 解成为发酵产氢的限速步骤；脂肪降解生成长链脂 肪酸和甘油，甘油可以迅速被降解利用，而长链脂 肪酸在缺乏产甲烷菌的条件下，难以通过微生物之 间的合营关系得到降解 。 ［11］
收 稿 日 期 ：2008-02-20 基金项目：浙江省科技厅重点项目(编号 2005C23052) 作 者 简 介 ： 孙 营 军 (1983-)，男 ，浙 江 人 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 从 事 固 废 污 染 控 制 与 资 源 化 研 究 。 * 通讯作者：erchu@zju.edu.cn
228
科技通报
第 25 卷
Biohydrogenbacterium genus sp.， 极大丰富了产氢
菌种。 除了从自然界直接筛选高效产氢菌株以外，利
用各菌种之间的协同作用提高产氢效率也引起了 研究者的重视。 不同菌种利用的最佳底物也往往各 不相同，因此不同菌种混合培养可以提高如餐厨垃 圾这样的复杂有机物的产氢效率，这一点在众多的 研究中得到了证实。 Yokoi等［7］利用丁酸梭菌、产气 肠杆菌、 类红球菌共同降解甜土豆淀粉残留物，达 到平均产气量为4.6 molH2 ／ mol葡萄糖，并连续产气 30 d以上；Kim等［8］在实验室的血清瓶试验中，将餐 厨垃圾与污泥（以梭菌属为主）混合，产氢率达到 5.5 mmolH2 ／ gCOD；Han与Shin［9］同样利用污泥与餐 厨垃圾混合在厌氧滤床中发酵，使餐厨垃圾发酵效 率达到58%。
目前利用混合餐厨垃圾作为底物的研究日益 增多，主要目的在于综合各类因素，培养合适的混 合菌种， 研究最佳工艺控制条件和最大转化效率， 证实餐厨垃圾发酵产氢的可行性，相关的研究结果 见表1。 其中，杨占春等 用 ［12］ 主要成分为米饭的餐厨 垃圾在400 mL左右的反应器内进行半连续式的发 酵产氢，最大产氢速率达到486.6 molH2 ／ m3·d，混合 气 体 中 氢 气 含 量 为 65% ， 并 获 得 了 一 系 列 最 佳 的 工 艺控制条件。
Key words：fFood Wastewaste；Fermentationfermentation；Biobio-hydrogen
0 引言
餐厨垃圾指的是在居民日常生活以及食品加 工中产生的食物废料，主要来源于学校食堂、超市、
餐馆等餐饮服务业以及农贸市场等地点，是城市生 活垃圾的主要组成部分。 近年来，随着我国城市人 民生活水平的提高， 餐厨垃圾的产生量迅速增加。 据 统 计 ［1］， 国 内 主 要 城 市 的 餐 厨 垃 圾 产 生 量 均 已 超 过1000 t ／ d，其中北京高达1600 t ／ d，上海达1300 t ／
有很高的降解产氢能力。 该研究为发酵餐厨垃圾中 最难降解的纤维素物质提供了很好的思路。 Perego
等［5］利用产气肠杆菌Eenterobacter aerogenes NCIM B10102， 以 玉 米 淀 粉 的 水 解 产 物 为 底 物 ， 最 大 比 产 氢速度为10mmol H2 ／ gVSS·h。 我国学者任南琪等［6］ 研究发现了新一类的发酵产氢细菌， 通过16S rDNA 碱 基 序 列 的 测 定 ， 分 析 得 到 了 Rennanqilyf1、 Rennanqilf3 和 B49 等 菌 种 ， 并 将 这 些 微 生 物 命 名 为
生物发酵产氢主要途径的机理研究。 在该假设中认 为膜结合氢化酶具有2个活性位点， 分别位于细胞 膜的两侧， 在细胞质的位点与NADH相互作用，而 位于胞外周质的一侧的位点与质子相互作用产生 氢气。 还原型辅酶Ⅰ（NADH+H+）可以与一定比例 的丙酸、丁酸、乙醇或者乳酸发酵相耦联，被氧化成 氧 化 型 辅 酶Ⅰ（NAD+），确 保 了 代 谢 中 辅 酶Ⅰ还 原 型与氧化型的平衡，同时该过程使发酵产氢的最终 产物成分种类与含量发生了变化，成为划分发酵类 型的重要依据。