來自有機廢水的清潔能源——氫能

 　　作為新能源，氫氣的優(yōu)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(chǎn)物只有水。氫氣的燃燒熱值高，相同質(zhì)量的氫氣燃燒所產(chǎn)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(xué)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(shù)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(xué)基金等支持下，從上個世紀90年代初開始，哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授任南琪就開始了有機廢水中產(chǎn)生氫氣的機理研究。他利用發(fā)酵法生物制氫技術(shù)，在產(chǎn)生氫的同時伴隨有機物的降解，使廢水得到凈化。
　　發(fā)酵法制氫優(yōu)勢漸顯
　　據(jù)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(lǐng)域的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，由此生產(chǎn)出的氫氣約占目前世界氫氣生產(chǎn)總量的96％。而剩余4％的氫氣生產(chǎn)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(xù)發(fā)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(chǎn)總量中所占的比例微不足道。 
　　可再生資源制氫技術(shù)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(jīng)開始成為可再生資源制氫技術(shù)中的一支重要力量。
　　生物制氫是利用某些微生物體內(nèi)存在著特殊的氫代謝系統(tǒng)來生產(chǎn)分子氫的一項生物工程技術(shù)。光合法制氫和發(fā)酵法制氫是生物制氫技術(shù)的兩個大類。然而經(jīng)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(xiàn)規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化。
　　與此同時，發(fā)酵法制氫開始異軍突起。1990年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授任南琪發(fā)現(xiàn)了用產(chǎn)氫細菌在有機廢水處理中產(chǎn)生氫氣的現(xiàn)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(shù)，在產(chǎn)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(fā)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(lǐng)的團隊就得到了國家自然科學(xué)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(xué)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(shù)是不可能拿到二等獎的，但是這項技術(shù)的超前性，使得當(dāng)時的評委會破了例。 
　　1996年到1999年底，有機廢水發(fā)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(chuàng)了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的厭氧活性污泥工藝發(fā)酵法生物制氫技術(shù)。2001年，經(jīng)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(xù)流反應(yīng)器發(fā)酵法制氫技術(shù)才剛剛開始，并且，這還源于1990年任南琪發(fā)表的相關(guān)論文被國外科學(xué)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(fā)現(xiàn)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(huán)境要求較低，大大提高了氫氣的產(chǎn)量，為生物制氫從實驗室走向工廠化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
　　2005年，由任南琪承擔(dān)的國家“863”計劃“有機廢水發(fā)酵法生物制氫技術(shù)生產(chǎn)性示范工程”，在哈爾濱國際科技城啟動。該項目日產(chǎn)氫氣1200立方米，成為國際上第一條發(fā)酵法生物制氫生產(chǎn)線，并且在規(guī)模上創(chuàng)造了世界之最。談到任南琪的“有機廢水發(fā)酵法生物制氫技術(shù)”，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院教授毛宗強贊許有加，他尤其肯定這項技術(shù)“一箭雙雕，既產(chǎn)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(fā)酵生物制氫技術(shù)”榮獲國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎，比國外利用丁酸型性發(fā)酵的產(chǎn)氫率高幾十倍。
　　作為中國可再生能源學(xué)會氫能專業(yè)委員會主任和國際氫能學(xué)會的理事會成員，毛宗強認為，這項技術(shù)不僅體現(xiàn)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(fā)，正在為減少溫室氣體排放、緩解全球環(huán)境惡化作出積極努力。
　　1元錢的目標
　　當(dāng)然，示范工程的成功建立并不意味著大規(guī)模工廠化生產(chǎn)的條件已經(jīng)完全成熟。在任南琪看來，他們還有一些技術(shù)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(chǎn)氫效率，高效利用廉價的資源、豐富的生物質(zhì)，進一步提高轉(zhuǎn)化率。他們還將嘗試解決諸如反應(yīng)器大規(guī)模應(yīng)用時出現(xiàn)的技術(shù)問題。 
　　歸結(jié)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(chǎn)1立方米氫氣的成本控制在1元人民幣以內(nèi)。
    目前，利用電解水制氫，每產(chǎn)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(jīng)控制在了每立方米1.5元以內(nèi)。更為重要的是，將成本控制在1元錢，就意味著，在產(chǎn)生相同能量的情況下，用氫氣做燃料的消費將和傳統(tǒng)能源相當(dāng)。而這對氫氣燃料的普及，無疑具有巨大的推動作用。