有機廢水發酵法生物制氫

    作為新能源，氫氣的優點顯而易見。有人將氫氣譽為“世界上最干凈的能源”，因為它的燃燒產物只有水。氫氣的燃燒熱值高，相同質量的氫氣燃燒所產生的熱量約為汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍。更為重要的是，氫氣是一種可儲存的能源載體。有科學家認為，21世紀氫能有可能在世界能源舞臺上占有舉足輕重的地位。

    能夠制氫的技術有很多種，然而利用廢水制氫無疑具有別樣的吸引力，因為它同時兼具了廢水處理的功能，可謂一舉兩得。在國家自然科學基金等支持下，從上個世紀90年代初開始，哈爾濱工業大學教授任南琪就開始了有機廢水中產生氫氣的機理研究。他利用發酵法生物制氫技術，在產生氫的同時伴隨有機物的降解，使廢水得到凈化。

    發酵法制氫優勢漸顯

    據介紹，制氫的方法有兩類，即利用不可再生資源制氫和利用可再生資源制氫。前者是利用石油、天然氣、煤炭等資源的方法，目前這一領域的技術已經相當成熟，由此生產出的氫氣約占目前世界氫氣生產總量的96%。而剩余4%的氫氣生產量，則基本由電解水來完成，而水無疑是一種可再生資源。

    從可持續發展的角度來看，利用不可再生資源制氫，顯然不是長久之計，利用可再生資源制氫，將會是一條非常有潛力的制氫之路，盡管目前利用可再生資源制氫在氫氣生產總量中所占的比例微不足道。

    可再生資源制氫技術大體可以分為熱物理制氫和生物制氫。前者因為對生成條件要求較高，目前還只是處于實驗室階段，而后者已經開始成為可再生資源制氫技術中的一支重要力量。

    生物制氫是利用某些微生物體內存在著特殊的氫代謝系統來生產分子氫的一項生物工程技術。光合法制氫和發酵法制氫是生物制氫技術的兩個大類。然而經過半個多世紀的研究，到上個世紀90年代末，光合法制氫依然沒有達到理想的效果，主要是因為光合微生物生長速度慢，生長過程必須要有充足的光照，這些制約因素使得光合法制氫無法走出實驗室，實現規模化和產業化。

    與此同時，發酵法制氫開始異軍突起。1990年，哈爾濱工業大學教授任南琪發現了用產氫細菌在有機廢水處理中產生氫氣的現象。通過多年的研究，他們成功掌握了利用有機廢水制氫的技術，在產生氫的同時伴隨有機物的降解，使廢水得到凈化，從而變廢為寶。

    從實驗室到示范工程

    從1990年到1996年，有機廢水發酵法生物制氫的小試研究完成。而早在1991年，任南琪及其率領的團隊就得到了國家自然科學基金的資助。提及此事，任南琪感慨地說：“可以說，沒有國家自然科學基金的支持，就沒有我們的今天。”

    同樣給予任南琪支持的，還有黑龍江省。1995年，任南琪的小試研究獲得黑龍江省科技進步獎二等獎。通常情況下，一項處于小試階段的技術是不可能拿到二等獎的，但是這項技術的超前性，使得當時的評委會破了例。

    1996年到1999年底，有機廢水發酵法生物制氫的中試研究順利完成，在世界上首次完成生物制氫中試研究，開創了具有我國自主知識產權的厭氧活性污泥工藝發酵法生物制氫技術。2001年，經過院士投票，這項中試研究成果評選為“2000年中國十大科技進展新聞”之一。此時，國外小型連續流反應器發酵法制氫技術才剛剛開始，并且，這還源于1990年任南琪發表的相關論文被國外科學家所注意。

    2000年到2005年，在國家氫能“973”項目的支持下，任南琪發現了一類新的菌種，這些細菌不僅可以在氫氣制造中起到良好的催化作用，而且對環境要求較低，大大提高了氫氣的產量，為生物制氫從實驗室走向工廠化生產奠定了基礎。

    2005年，由任南琪承擔的國家“863”計劃“有機廢水發酵法生物制氫技術生產性示范工程”，在哈爾濱國際科技城啟動。該項目日產氫氣1200立方米，成為國際上第一條發酵法生物制氫生產線，并且在規模上創造了世界之最。談到任南琪的“有機廢水發酵法生物制氫技術”，清華大學核能與新能源技術研究院教授毛宗強贊許有加，他尤其肯定這項技術“一箭雙雕，既產生了氫氣，又處理了污水”。

    2008年初，任南琪及其課題組完成的“乙醇型發酵生物制氫技術”榮獲國家技術發明獎二等獎，比國外利用丁酸型性發酵的產氫率高幾十倍。

    作為中國可再生能源學會氫能專業委員會主任和國際氫能學會的理事會成員，毛宗強認為，這項技術不僅體現了我國在科研上的水平，同時還具有不可忽視的社會意義，那就是我國政府大力支持氫能開發，正在為減少溫室氣體排放、緩解全球環境惡化作出積極努力。

    1元錢的目標

    當然，示范工程的成功建立并不意味著大規模工廠化生產的條件已經完全成熟。在任南琪看來，他們還有一些技術上的問題需要進一步研究解決。任南琪希望能進一步提高菌種的產氫效率，高效利用廉價的資源、豐富的生物質，進一步提高轉化率。他們還將嘗試解決諸如反應器大規模應用時出現的技術問題。

    歸結起來，任南琪認為，下一步要解決的核心問題是如何降低成本。他的目標是生產1立方米氫氣的成本控制在1元人民幣以內。

    目前，利用電解水制氫，每產出1立方米氫氣，需要消耗3至4度電。而利用不可再生資源制造氫氣的成本已經控制在了每立方米1.5元以內。更為重要的是，將成本控制在1元錢，就意味著，在產生相同能量的情況下，用氫氣做燃料的消費將和傳統能源相當。而這對氫氣燃料的普及，無疑具有巨大的推動作用。