生物炭强化污泥厌氧消化：性能对比与机制分析

《Water Research X》：Biochar-Enhanced Anaerobic Digestion of Sewage Sludge: Comparative Performance and Mechanistic Insights

产甲烷效率；电子转移；微生物群落结构；循环经济；污泥稳定化

　　本文探讨了生物炭对污水处理过程中污泥厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）中甲烷产量和微生物群落结构的影响，重点比较了三种不同来源的生物炭：玉米秸秆衍生生物炭（Corn Stover-Derived Biochar, CSBC）、混合秸秆衍生生物炭（Mixed Straw-Derived Biochar, MSBC）以及厌氧消化污泥衍生生物炭（Digested Sludge-Derived Biochar, SSBC）。研究通过实验手段，评估了这些生物炭在不同剂量下的性能表现，并结合微生物群落分析和电化学特性，揭示了其对厌氧消化过程的促进机制。这些发现为优化生物炭在污泥资源化和能源回收中的应用提供了重要的理论依据和实践指导。

污泥厌氧消化是一种可持续的污泥稳定和能源回收方法，然而其效率常常受到微生物失衡和中间产物积累的限制。生物炭的添加被认为是提高厌氧消化性能的一种有前景的策略，但目前对其有效性的具体机制，尤其是生物炭来源对效果的影响，仍缺乏深入理解。因此，本研究旨在系统地评估不同来源的生物炭对甲烷产量、微生物群落结构以及电子传递过程的影响，以期揭示其作用机理，并为设计针对性的生物炭提供科学依据。

在实验设计中，研究人员选取了三种具有代表性的生物炭，分别来源于玉米秸秆、混合秸秆和厌氧消化污泥。为了确保实验的准确性，这些生物炭的制备条件均基于已有文献中确定的最优参数。例如，MSBC在高温下（900°C）制备，以提高其比表面积和导电性；而CSBC则在中等温度下（500°C）制备，以平衡其表面活性和结构稳定性。SSBC则在800°C下制备，旨在增强其电化学特性。这些条件的选择确保了每种生物炭都能在各自的最佳状态下进行评估，从而减少温度变化带来的干扰。

通过生物化学甲烷潜力（Biochemical Methane Potential, BMP）测试，研究人员发现CSBC在10 g/L的添加量下对甲烷产量的提升最为显著，达到了153.7 mL/g VS，比对照组提高了122.1%。这一结果表明，CSBC在促进甲烷生成方面具有显著优势。与此同时，MSBC在1 g/L时也表现出良好的促进效果，使甲烷产量提升了115.6%。相比之下，SSBC在0.25 g/L时表现出较为有限的提升，仅为17.9%。这表明，尽管SSBC在循环利用方面具有独特的优势，但其在提高甲烷产量方面的效果仍然受到其电化学特性和表面化学性质的限制。

研究进一步揭示了生物炭对厌氧消化不同阶段的影响。MSBC主要促进了水解阶段的反应，提高了底物降解速率，而CSBC则在产甲烷阶段表现出更强的促进作用，尤其是在乙酸型产甲烷菌的活性方面。SSBC则更倾向于刺激氢营养型产甲烷菌的活性，这可能与其丰富的矿物质和电活性物质有关。这些发现强调了生物炭在不同阶段中可能扮演的不同角色，并提示了其对微生物群落结构和代谢路径的调节作用。

此外，研究还通过电化学分析和微生物群落结构分析，探讨了生物炭对电子传递系统（Electron Transfer System, ETS）活性和导电性的影响。结果显示，CSBC具有较高的电子传递速率常数（k_app），这与其丰富的含氧官能团（Oxygen-Containing Functional Groups, OFGs）密切相关。这些OFGs不仅增强了生物炭的氧化还原活性，还促进了微生物之间的直接电子传递（Direct Interspecies Electron Transfer, DIET），从而提高了甲烷产量。相比之下，MSBC和SSBC的导电性较低，可能与其表面化学性质和结构特性有关。

微生物群落的分析进一步支持了这些发现。研究发现，CSBC的添加显著增加了与电子传递相关的细菌，如Bacteroidetes_vadin HA17，而MSBC则促进了水解和酸化阶段的微生物活动。SSBC则主要通过丰富微生物多样性，促进了氢营养型产甲烷菌的活动。这些结果表明，不同来源的生物炭对微生物群落的调控具有不同的作用机制，从而影响了厌氧消化的整体效率。

研究还指出，生物炭的性能不仅与其来源有关，还受到制备条件的显著影响。因此，未来的研究需要进一步探讨不同制备条件对生物炭性能的具体影响，以及如何通过优化这些条件来提高生物炭的利用效率。此外，研究还建议采用更先进的分析方法，如稳定同位素探针（Stable Isotope Probing, SIP）和纳米二次离子质谱（NanoSIMS），以更精确地追踪生物炭对电子传递路径和代谢过程的具体影响。

总体而言，本研究为生物炭在污泥厌氧消化中的应用提供了重要的科学依据，强调了生物炭的来源和制备条件对其性能的决定性作用。通过优化生物炭的化学和电化学特性，可以更有效地促进污泥的资源化和能源回收，为实现更加高效、循环和可持续的污水处理技术提供了新的思路和方向。