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第1章 概述1

1.1 生物制氢技术的发展历程1

1.1.1 产生背景1

1.1.2 生物制氢的内涵和方法2

1.2 生物制氢技术原理4

1.2.1 光解水制氢4

1.2.2 光发酵制氢5

1.2.3 暗发酵制氢6

1.3 发酵法生物制氢技术的发展现状7

1.3.1 技术优势7

1.3.2 研究进展8

参考文献13

第2章 生物化学机制20

2.1 发酵产氢微生物及其生理特性20

2.1.1 光发酵产氢微生物20

2.1.2 暗发酵产氢微生物26

2.1.3 产乙醇杆菌属微生物28

2.2 发酵产氢系统的平衡体系34

2.2.1 氧化还原电位34

2.2.2 有机酸的电离平衡35

2.2.3 细胞内碳酸氢盐缓冲系统37

2.3 细菌发酵产氢代谢途径40

2.3.1 发酵类型的形成机制40

2.3.2 发酵途径43

2.3.3 产氢机制52

2.4 发酵产氢酶基因的克隆与表达59

2.4.1 氢化酶60

2.4.2 氢化酶基因的克隆与表达61

2.4.3 乙酸激酶基因的克隆与表达68

2.4.4 乙醇脱氢酶及乙醛乙醇脱氢酶基因的克隆与表达74

2.4.5 L-乳酸脱氢酶基因的克隆与表达及敲除载体构建88

2.5 产氢代谢关键酶基因表达的生理调控97

2.5.1 亚铁离子的调控作用97

2.5.2 镁离子的调控作用101

2.5.3 L-半胱氨酸的调控作用105

参考文献108

第3章 生理生态学117

3.1 生态因子及作用117

3.1.1 光发酵产氢细菌117

3.1.2 暗发酵产氢细菌125

3.1.3 生态因子的综合作用159

3.2 种群生态学169

3.2.1 产氢微生物的增长模式169

3.2.2 混合菌群发酵系统的种群多样性177

3.2.3 种间关系178

3.3 群落生态学188

3.3.1 微生物群落与群落演替188

3.3.2 定向演替与限制因子195

3.3.3 pH主导的群落演替196

3.3.4 ORP主导的群落演替199

3.3.5 pH和ORP协同的群落演替201

3.4 顶极群落的产氢性能与稳定性204

3.4.1 产氢性能204

3.4.2 pH影响下的运行稳定性209

3.4.3 容积负荷影响下的稳定性212

参考文献217

第4章 发酵法生物制氢工艺及过程调控222

4.1 连续流发酵制氢工艺222

4.1.1 连续流搅拌槽式反应器223

4.1.2 膨胀颗粒污泥床反应器225

4.1.3 厌氧折流板反应器226

4.2 CSTR制氢反应器的放大229

4.2.1 流场数值模拟229

4.2.2 放大准则252

4.2.3 反应器放大253

4.3 接种污泥的预处理255

4.3.1 好氧活性污泥的预处理255

4.3.2 厌氧颗粒污泥的预处理262

4.3.3 污泥预处理对ACR系统产氢性能的影响268

4.4 反应器启动的污泥负荷调控273

4.4.1 首次启动274

4.4.2 降低负荷启动276

4.4.3 分析与讨论278

4.5 容积负荷的过程调控281

4.5.1 HRT调控281

4.5.2 HRT与COD浓度的联合调控286

4.5.3 过酸状态的恢复调控288

4.6 发酵产氢系统的化学强化292

4.6.1 亚铁离子292

4.6.2 半胱氨酸298

4.7 发酵产氢系统的生物强化302

4.7.1 可行性试验303

4.7.2 CSTR发酵制氢系统的生物强化308

参考文献312

第5章 发酵法生物制氢中试研究与示范工程320

5.1 中试研究321

5.1.1 装置及运行调控321

5.1.2 启动与运行323

5.1.3 发酵产氢特征326

5.2 有机废水发酵法生物制氢示范工程328

5.2.1 工程概况329

5.2.2 工艺流程及运行控制329

5.2.3 CSTR的启动333

5.2.4 CSTR的常规运行335

5.2.5 CSTR的生物强化337

5.2.6 成本分析339

5.3 技术综合效率评价342

5.3.1 评价方法342

5.3.2 接种污泥预处理345

5.3.3 反应器348

5.3.4 发酵物料353

5.4 示范工程综合效率评价359

5.4.1 基本数据359

5.4.2 能值计算360

5.4.3 综合效率计算与评价360

参考文献363

第6章 发展与展望369

6.1 关键问题369

6.2 联合工艺技术372

6.2.1 暗发酵-光发酵联合工艺372

6.2.2 暗发酵-微生物电化学系统联合工艺376

6.2.3 氢气-甲烷联产工艺386

6.3 展望389

参考文献391

附录 缩略语（英汉对照）399

术语索引404

微生物学名索引408