原創 仲國彬 中國能源報
▲河南農業大學廢棄物資源化利用團隊
「科技發展，關鍵在人。這是河南農業大學廢棄物資源化利用團隊不忘初心，攻堅克難的基本遵循。」作為享受國務院特殊津貼專家、教育部首批「國家級優秀骨幹教師」和河南省特色骨幹學科（農業工程）的學術帶頭人，農業農村部可再生能源新材料與裝備重點實驗室主任、河南農業大學原副校長張全國教授從開始的常規能源煤炭及煤矸石和粉煤灰的清潔高效利用，到順應國家碳中和潮流，深入開展生物質能領域的科學技術研究，利用專業知識解人民之所需，為可再生能源開發利用，尤其是為太陽能光合生物制氫提供了重要技術參考 。
（文丨仲國彬）
率先開啟國內
光合生物制氫研究先河
改革開放之初，國家啟動了對農民家庭用能狀況的調查，廣大農民普遍存在的「夏無三炊薪，冬無禦寒柴」的現狀。河南農業大學在老校長張百良教授帶領下，克服一缺知識、二缺技術、三缺人才的重重困難，率先開辦了全國第一個農村能源工程專業，並建立了以農村可再生能源為主要研究方向的實驗室。張全國毅然投入可再生能源領域的研究中，不斷學習國內外先進知識，銳意進取、攻堅克難。
氫能因其能量密度高，燃燒無汙染、應用形式多樣等被認為是礦物燃料最理想的替代能源。目前，大家所能看見的氫動力汽車已經開始試運行。然而傳統的化學法制氫，不僅消耗化石能源，還會造成環境汙染。生物制氫是利用微生物自身的新陳代謝途徑，在常溫常壓下生產氫氣。國內外最初關於生物制氫的研究，主要集中在光解水制氫和暗發酵制氫兩種，而對光發酵制氫的研究還比較少。河南農業大學廢棄物資源化利用團隊，率先開始了光合生物制氫的科學研究。
光合生物制氫有較高的理論產氫量，但光發酵制氫過程中的光轉化效率普遍低、反應成本遠遠高於其他方法的制氫成本，張全國教授團隊根據光合產氫菌吸收光譜特性和太陽能輻射特性，提出了利用太陽能為光源的光合生物制氫體系及其光譜耦合理論，設計了具有自動跟蹤太陽能接收裝置、可改變太陽光波長的光生化制氫裝置。這種可選擇光譜的濾光技術裝置的改進，得到了光合產氫菌吸收光譜特性隨太陽能輻射波長的變化規律，不僅極大的減少了制氫成本，還提高了光轉化效率。
▲張全國在調試暗-光聯合生物制氫中試系統
針對光合細菌代謝制氫過程中存在的大量熱物理問題，會直接影響光合生物制氫體系的能量消耗、產氫酶活性、產氫速率等，研發團隊首次提出光合生物產氫熱效應理論，揭示生物制氫體系的溫度場變化規律，開發出生物制氫反應器內部的溫度場分布數值模擬方法，提高產氫菌活性，構建與高效光合產氫菌群熱力學特性相耦合的綠色光合制氫體系。隨後，團隊開始轉向以農業廢棄物為底物的光合生物制氫研究。同時創製了世界上最大的秸稈類生物質光合生物制氫試驗系統及其成套裝置，優化設計了折流式聯合制氫反應器內部結構，實現了太陽能光生化反應器的連續穩定運行，構建了高效節能型綠色光合制氫體系。
團隊圍繞光合生物制氫研究進展出版的《光合生物制氫光熱質傳遞理論與數值分析》和《光合生物制氫理論與技術》等著作在2017年科學出版社農林專著銷售排名中分別位列第一、第二名，《農業廢棄物光生化制氫熱效應理論與應用》專著於2020年獲得國家科學技術著作出版基金資助。團隊在秸稈類生物質光合生物制氫光譜耦合理論、熱效應理論、多相流理論及光熱質傳輸規律等關鍵科學問題取得了一系列成果，明晰了對秸稈類生物質光合生物制氫中的生物質多相流光熱質傳遞特性及其穩定高效產氫體系，張全國教授及其團隊於2019年獲得「國際生物過程學會PANDEY突出成就獎」，研究成果「秸稈類生物質光合制氫光熱質傳遞理論與調控機制」於2020年獲得河南省自然科學二等獎，成功主辦了第四屆國際生物過程學會學術年會和第十三屆亞洲生物制氫和生物煉製學術年會，並分別擔任這兩個高規格國際學術會的會議主席。
「三化」協同開創
農業廢棄物綜合利用新途徑
截至目前，研發團隊在太陽能光合生物制氫方面的研究已有20年。以解決實際問題出發，從開始提出的光譜耦合、熱效應、多相流等理論，到現在的規模化實驗，一步一個腳印，逐步闡釋了光合生物制氫體系內部機理，突破了光合生物制氫技術上的瓶頸，並實現了中試規模化應用，引領了基於農業廢棄物的太陽能光合生物制氫科學研究與技術發展，為農業廢棄物高效梯級利用的綠色生物制氫工業化應用提供科學參考。
2019年3月，中國和義大利籤署了19份政府間雙邊合作文件，進一步深化了中意雙方全面戰略夥伴關係。在中意雙方政府間全面合作的背景下，張全國團隊與義大利國家研究委員會大氣汙染研究所籤署了「基於農業廢棄物的生物氫氣和生物甲烷及緩釋營養劑聯產技術研究與示範」合作研究協議，並達成「中意農業廢棄物資源化利用技術聯合研究中心」的共建意向，深入開展合作研究，共同努力為「一帶一路」沿線國家提供農業廢棄物資源生態安全利用的新理論與新方法，開創農業廢棄物綜合利用的新途徑。
除了生物制氫，團隊也一直在對廢棄物資源化清潔利用方面進行研究。農業廢棄物量大面廣，且能量低，如何能將農業廢棄物轉化為高品質能源和肥料等產品，使其產生顯著的社會、經濟和環境效益。目前，較為成熟的厭氧發酵產出沼氣的同時，還會產生大量的發酵尾液（沼渣、沼液等），尾液中含有豐富的氮磷鉀等營養元素，尾液的隨意排放不僅浪費資源，還會造成環境汙染。
針對以上問題，團隊提出了農業廢棄物燃料化、肥料化、基料化於一體的「三化」協同多聯產技術，實現了「三化」系統中物質和能量的雙元循環高效清潔利用，研究成果分別獲得中國專利優秀獎、中國沼氣學會科技創新一等獎、河南省科技進步一等獎等多項獎勵。同時根據不同區域特徵和用戶需求，研製了一系列多聯產裝備，如輔熱集箱式和雙效增溫式等，產生了顯著的社會經濟效益。
建立資源節約型
綠色消費體系是當務之急
「我們要做的，就是讓學生們進入社會後，充分運用所學的專業知識，能為社會發展貢獻智慧。」張全國教授坦言。正是這樣樸素的堅守，為實施國家碳中和戰略和可再生能源發展輸送了一批又一批新鮮血液。
科學研究，最終要為生產實踐服務。作為中國科協首席科普專家、「科創中國」農業工程科技服務團副團長，張全國教授率領團隊，積極服務鄉村。2020年，舉辦科普講座5場，同時還創辦微信公眾號、做客直播間、出版科普讀物，尤其結合團隊研發成果「農業廢棄物雙元循環多聯產資源化技術及應用」，在南陽、駐馬店等科普實踐基地進行宣傳推廣，創建了農業廢棄物全方位高值化利用新模式，於2017年獲河南省科普成果一等獎，為鄉村振興和脫貧攻堅提供了新途徑。
多年擔任十一和十二屆全國政協委員、十二屆全國政協教科文衛體委員會委員、民革中央委員、農業農村部科技委農業工程學部委員、中國農業工程學會副理事長、中國高等教育學會工程熱物理專業委員會副理事長和河南省黨外知識分子聯誼會副會長等社會職務的經歷，讓張全國教授對民之所需、民心所向有很深刻的認識。自2008年任全國政協委員以來，他就一直集中選題調研，建言獻策。
其中，他提交的關於減免農業高等教育涉農專業學生學費、家電下鄉的農村能源供需、新農村人才隊伍建設、糧食核心產區的低碳農業發展、農村沼氣科技推廣能力建設、涉農專業學生素質教育、提高涉農專業學生創新就業能力、建立資源節約型綠色消費體系等提案，都取得了較好的效果。其中，關於建立資源節約型綠色消費體系的提案得到了國家發改委和財政部的高度重視，該提案還被評為十一屆全國政協優秀提案。
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出品 | 中國能源報（ID：cnenergy）
編輯丨李慧穎
原標題：《河南農業大學：光合生物制氫技術成長史》
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