第一作者：何云 碩士研究生（鄭州大學(xué)），王石壘 助理研究員（鄭州大學(xué)）

通訊作者：蔡亞凡 研究員（鄭州大學(xué)）

論文DOI:10.1016/j.cej.2024.154527

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引言

圖文導(dǎo)讀

生物炭的制備和表征

Figure 1. SEM-based mapping of biochars: (a) BC; (b) MBC; (c) NMBC; (d) KMBC; TEM of biochars: (e) BC; (f) KMBC.

通過對TEM、SEM和BET對生物炭的表面特性進(jìn)行分析，通過XPS和XRD以及MEO對生物炭的表面含氧官能團(tuán)和電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析。與BC相比，NBC和KBC的SSA分別減少了17.24%和12.43%。經(jīng)過磁性改性后，與BC、NBC和KBC相比，MBC、NMBC和KMBC的表面積分別減少了22.97%、14.11%和12.63%。改性前，生物炭表面光滑，孔結(jié)構(gòu)良好。酸和堿改性對生物炭的一些孔結(jié)構(gòu)造成了破壞，導(dǎo)致表面相對粗糙。磁性改性導(dǎo)致生物炭表面形成納米顆粒。雖然其中一些納米顆粒進(jìn)入孔中，但大多數(shù)被發(fā)現(xiàn)在表面。對磁性生物炭進(jìn)行了TEM分析，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)磁性顆粒均勻分布在表面。

Figure 2. XPS spectrum of C1s and O1s of different biochars: (a) BC; (b) NBC; (c) KBC; (d) MBC; (e) NMBC; (f) KMBC.

Figure 3. Electrochemical characteristic of biochars: (a) X-ray Diffraction of biochars; (b) electron donating capacity (EDC).

電子供體能力（EDC）是評估生物炭電化學(xué)特性的關(guān)鍵參數(shù)。許多研究表明，產(chǎn)甲烷活性和DIET途徑與EDC的相關(guān)性高于電子接受能力。BC、NBC和KBC的EDC分別為0.00447、0.00502和0.00427 mmol e^-1/g。根據(jù)XPS結(jié)果，BC、NBC和KBC中OCFGs的含量分別為45.55%、46.61%和32.29%，表明EDC與生物炭OCFGs的含量呈正相關(guān)。這一結(jié)論得到了先前研究的支持。NMBC和KMBC的EDC值分別為0.00720和0.00979 mmol e^-1/g，高于BC、NBC和KBC。KMBC和NMBC中C=O、C-O和COOH的總含量低于BC、NBC和KBC。NMBC和KMBC的EDC增加可能是由于磁化后生物炭表面產(chǎn)生的Fe₃O₄顆粒。Fe₃O₄可以直接作為導(dǎo)體促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移。磁性生物炭不僅可以通過氧化還原官能團(tuán)介導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移，還可以作為具有良好電導(dǎo)率的氧化鐵。

白酒廢水的厭氧消化關(guān)鍵性能

Figure 4. Key physicochemical parameters of anaerobic digestion: (a) pH; (b) COD; (c) Cumulative CH4 yield; (d) ethanol concentration; (e) phenol concentration; (f) p-cresol concentration; (g) Volatile fatty acids composition.

對每種處理的AD關(guān)鍵理化特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)由于生物炭的添加，有機(jī)物去除率、甲烷產(chǎn)生性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性顯著提高。具體來說，與BC組相比，NBC、NMBC和KMBC處理的累積甲烷產(chǎn)量顯著更高（p<0.05）。然而，NBC處理表現(xiàn)出緩慢的pH恢復(fù)和低甲烷產(chǎn)生率，導(dǎo)致總揮發(fā)性脂肪酸（TVFAs）的積累，特別是乙酸，這導(dǎo)致了對AD系統(tǒng)穩(wěn)定性的相對較弱的效果。

微生物分析

Figure 5. Microbial analysis of different treatment groups. (a) Bacterial community composition at the phylum level; (b) Archaeal community composition at the genus level; the PCoA of bacteria (c) and archaea (d) based on Phylogenetic distances; Correlation analysis of microorganisms and cumulative CH₄yield: (e) Bacteria with cumulative CH₄ yield at the phylum level; (f) Archaea with cumulative CH₄ yield at the genus level.

改性方法顯著影響了厭氧消化（AD）系統(tǒng)中微生物群落的組成。與對照組（CK）相比，添加生物炭使得放線菌門（Actinobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）和變形菌門（Proteobacteria）在生物炭處理組中得到富集。特別是，酸改性和磁性改性能夠特別富集Georgenia以促進(jìn)有機(jī)物的降解。對于古菌來說，改性生物炭的添加改變了甲烷產(chǎn)生的途徑。對于BC、NBC和KBC處理，生物炭富集了Metranosaeta和Metanobacterium，從而促進(jìn)了乙酸分解途徑和氫營養(yǎng)途徑的貢獻(xiàn)。對于MBC、NMBC和KMBC處理，生物炭主要富集了Candidatus-Methanofastidiosum，從而增加了甲烷營養(yǎng)途徑的貢獻(xiàn)。

機(jī)理分析

生物炭的積極效應(yīng)可能與其調(diào)節(jié)微生物群落組成有關(guān)。添加生物炭可以顯著富集與水解和酸化產(chǎn)生乙酸以及胞外電子轉(zhuǎn)移過程密切相關(guān)的放線菌門（Actinobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）和變形菌門（Proteobacteria）。值得注意的是，添加生物炭的實(shí)驗處理中Syntrophomonas的相對豐度（6.74%-10.93%）高于對照組（CK）（0.013%），表明生物炭似乎特別富集了這種微生物。Syntrophomonas主要依賴β-氧化。通過β-氧化途徑有效降解有機(jī)酸依賴于產(chǎn)甲烷古菌及時轉(zhuǎn)化VFAs。不同改性生物炭在建立細(xì)菌和古菌之間的直接協(xié)作關(guān)系中似乎發(fā)揮了不同的作用。例如，對于BC、NBC和KBC處理，生物炭主要建立了Syntrophomonas、Metranosaeta和Metanobacterium之間的聯(lián)系，從而促進(jìn)了乙酸分解途徑和氫營養(yǎng)途徑的貢獻(xiàn)。對于MBC、NMBC和KMBC處理，生物炭主要促進(jìn)了Syntrophomonas和Candidatus-Methanofastidiosum之間的聯(lián)系，從而增加了甲烷營養(yǎng)途徑的貢獻(xiàn)。

生物炭的不同功能可能與其特性密切相關(guān)。與CK相比，生物炭可能增強(qiáng)了直接種間電子轉(zhuǎn)移（DIET）途徑。生物炭表面粗糙、多孔，富含含氧官能團(tuán)（OCFGs），這有利于DIET的增強(qiáng)。不同改性方法獲得的生物炭對DIET途徑的促進(jìn)效果不同。先前的研究表明，生物炭對DIET的促進(jìn)與電子供體能力（EDC）呈正相關(guān)。而EDC與OCFGs的豐度或準(zhǔn)電容呈正相關(guān)。此外，DIET途徑的增強(qiáng)不僅需要生物炭的理想電化學(xué)性能，而且電活性微生物的富集也是其有效性的先決條件。

小結(jié)

生物炭的輔助顯著提高了MFBW消化性能的甲烷產(chǎn)量（從254.53mL提高到869.73mL）和溶解化學(xué)需氧量（sCOD）降解率（從40.67%提高到98.19%），同時減少了揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）的積累。生物炭的磁化增加了其孔徑、電子供體能力和表面粗糙度，這對微生物的富集至關(guān)重要。添加生物炭調(diào)節(jié)了甲烷產(chǎn)生途徑，特別是提高了Syntrophomonas的相對豐度（從0.013%增加到6.74%至10.93%），這可能與增強(qiáng)的直接種間電子轉(zhuǎn)移（DIET）途徑有關(guān)。出色的電化學(xué)特性和電活性微生物的富集是增強(qiáng)DIET的兩個關(guān)鍵方面。經(jīng)過經(jīng)濟(jì)評估和環(huán)境分析后，MBC、KMBC和NMBC（磁性改性生物炭）都是有益的，而KMBC作為添加劑是最佳選擇。

作者介紹

王石壘 博士、碩士生導(dǎo)師，現(xiàn)任職于鄭州大學(xué)化工學(xué)院。主要研究方向為非糧生物質(zhì)資源的利用，酒糟資源的綜合利用。擔(dān)任AEM，mSystems，Frontiers in Sustainable Food Systems，lnternational Journal of Food Microbiology，食品與發(fā)酵工業(yè)，鄭州輕工業(yè)大學(xué)學(xué)報等國內(nèi)外權(quán)威期刊的評審專家。第一/通信作者累計發(fā)表SCI論文12篇（8篇TOP，7篇1區(qū)），累計IF=125.91。申請/授權(quán)國家發(fā)明專利5項。

蔡亞凡，直聘研究員、碩士生導(dǎo)師，現(xiàn)任職于鄭州大學(xué)化工學(xué)院。主要研究領(lǐng)域為有機(jī)廢棄物飼料化、肥料化、能源化等。在ES&T、WR等知名期刊上發(fā)表SCI論文50余篇。其中4篇為高被引論文。申請/授權(quán)國家發(fā)明專利14項。主持德國學(xué)術(shù)交流中心人才項目、國自然基金、企業(yè)橫向課題、博士后面上、河南省科技攻關(guān)項目8項。擔(dān)任WR、CEJ、BT、JCP、WM、Fuel等四十余本期刊通訊評審專家。擔(dān)任Energies期刊“Novel Technologies for Organic Waste Processing and Utilization”方向客座編輯; 擔(dān)任Frontiers in Bioengineering and Biotechnology客座編輯；擔(dān)任Fermentation期刊“Solid-state fermentation”方向客座編輯。

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