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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