网络首发||赵智强教授：含铁沼渣基生物炭的制备及其对城镇有机固废厌氧消化性能的影响

创新点

直接种间电子传递(DIET)对扩散传质依赖低，电子传递速率快，可取代间接种间电子传递，成为城镇有机固废(主要包括餐厨垃圾和剩余污泥)厌氧消化的核心机制。然而，厌氧消化后残留的副产物——沼渣，对环境危害大，一直是实现“无废城市”建设目标的挑战。本研究以实际城镇有机固废产生的含铁沼渣为原料，探究了在不同碳化温度下制备的含铁沼渣基生物炭的形貌结构特征，及其应用于原始城镇有机固废厌氧消化的可持续性研究，旨在实现“以废治废”。

通讯作者简介

赵智强教授

赵智强，大连理工大学教授、博导、国家重点研发计划青年科学家项目首席，主要研究方向为有机固废资源化。以第一/通讯作者在Water Research、Environmental Science & Technology等期刊上发表论文40余篇，其中“ESI高被引”论文6篇；Google引用7020次，H指数45，单篇论文最高被引400次；受邀出版英文著作章节2篇；授权发明专利7项，其中1项转化；主持国家重点研发计划青年科学家项目、国家重点研发计划子课题（2）、国家自然科学基金（3）等项目10余项。

含铁沼渣基生物炭的制备及其对城镇有机固废厌氧消化性能的影响

作者

刘梦谣，何忻，赵智强

单位

大连理工大学环境学院工业生态与环境工程教育部重点实验室

基金项目

国家重点研发计划青年科学家资助项目（2022YFA0913100）；国家自然科学基金面上资助项目（52470140）；中央高校基本科研业务费（DUT24LK005）

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摘要

直接种间电子传递（DIET）对扩散传质依赖低，电子传递速率快，可取代间接种间电子传递，成为城镇有机固废（主要包括餐厨垃圾和剩余污泥）厌氧消化的核心机制。然而，厌氧消化后残留的副产物——沼渣，对环境危害大，一直是实现“无废城市”建设目标的挑战。本研究以含铁沼渣为原料，探究了在不同碳化温度下制备的含铁沼渣基生物炭的形貌结构特征及其对城镇有机固废厌氧消化性能的影响，旨在实现“以废治废”。研究结果表明，随着碳化温度的升高，含铁沼渣基生物炭的孔隙结构增多，官能团组成简化，在800℃碳化条件下制备的含铁沼渣基生物炭，具有更丰富的孔隙和更高的铁含量。在厌氧消化实验中，添加800℃制备的含铁沼渣基生物炭组的甲烷累积产量为184.24mL/g挥发性固体（VS），比对照组（未添加含铁沼渣基生物炭）提高了19.78%；添加800℃制备的含铁沼渣基生物炭组的VS去除率达到45.75%，比对照组提高了6.73%。此外，添加500℃制备的含铁沼渣基生物炭组相较于对照组，甲烷累积产量提高了15.66%，VS去除率提高了5.79%，其他实验组的提升效果不显著。电化学分析结果表明，添加800℃制备的含铁沼渣基生物炭组污泥具有更大的电容性和更低的电阻，表明污泥内部种间电子传递得到增强。此外，含铁沼渣基生物炭提高了Methanosaeta和Fastidiosipila的相对丰度，促进了它们之间的DIET，进而提高了城镇有机固废厌氧消化的性能。

研究背景

我国城镇产生的有机固废数量庞大，以餐厨垃圾与剩余污泥为主。据预测，至2025年，餐厨垃圾的年产量有望超过17000万t，剩余污泥的年产量也将达到9000万t。当前，城市区域处理有机固体废弃物主要通过焚烧和填埋，但该过程会释放污染物、增加碳排量，极易导致污染的广泛散布，尤其在秋冬季节，甚至可能加重雾霾的形成。这不仅严重影响生态环境质量，更与生态文明建设、节能降碳以及减少温室气体排放等政策要求相悖，不利于可持续发展目标的实现。

厌氧消化因能耗低、产沼气等优势，被认为是一种可持续技术，可用于城镇有机固废的资源化处理，同时减少温室气体排放。该技术的核心原理是电子通过甲酸或H₂等载体，在互养菌群之间进行传递的间接种间电子传递（Mediated Interspec-ies Electron Transfer, MIET）。然而，MIET依赖电子载体进行电子传递，对扩散传质依赖高，扩散速率相对较慢，且易受电子载体的浓度影响，使得在处理城镇有机固废时容易被抑制。2010年，Lovley团队提出了电子能够利用微生物自身导电结构进行传输的直接种间电子传递（DirectInterspecies Electron Transfer, DIET），与MIET相比，DIET扩散传质依赖低、电子传递速率快，被认为是MIET的潜在替代。但该过程存在参与DIET的电活性细菌种类稀缺、DIET可利用的电子供体少、电子传递效率低等问题。

针对上述问题，研究表明导体材料（活性炭、生物炭、碳布、赤铁矿Fe₂O₃、磁铁矿Fe₃O₄、石墨）可以充当DIET的电子传输通道，提高厌氧消化性能。与其他材料相比，生物炭因来源丰富、经济实惠、对环境无害等优点，被认为是更适合构建DIET的导体材料。此外，Fe（Ⅲ）能够诱发异化铁还原，富集电活性细菌，增强厌氧消化过程中电活性细菌与产甲烷菌之间的DIET的能力，提高甲烷的产量。

基于上述研究，研究者将生物炭和Fe（Ⅲ）同时添加到有机固体废物的厌氧消化中。研究发现，以含铁污泥为原料的生物炭被添加到厌氧消化器中时，可以参与DIET建立并加强微生物之间的共养关系，从而促进甲烷的产生。JIN等以含铁发酵污泥渣为原料制备的生物炭，在废弃活性污泥的厌氧消化中表现出良好的性能，甲烷产量提高了23.4%，并且提高了污泥的电活性微生物丰富度，推测可能建立DIET。WANG等将以含铁芬顿污泥为原料，制备新型含磁铁矿的生物炭并将其补充到厌氧消化系统时，甲烷的产生显著增强。

然而，厌氧消化的残余物沼渣，若处理不当，仍然有可能成为污染环境的源头，故对其进行资源化利用显得尤为重要。目前，将沼渣作为原料回收制成新的生物炭，再用于厌氧消化的这种方式，无需在生物炭中外加铁，不仅实现了城镇有机固废的资源化，也促进了餐厨废弃物和剩余污泥的减量化处理。LIU等在污泥和食物残渣的厌氧消化中添加沼渣生物炭，促进了甲烷的产生，并且发现了微生物Methanobacterium、Clostridia、Methanobrevibacter的丰度较高，增强了微生物的DIET。WANG等研究了沼渣生物炭经过FeO改性后，对食物残渣厌氧处理的影响。研究发现，FeO改性沼渣生物炭显著提高了甲烷产率，Clostridium和Methanosarcina被选择性富集，有助于改善以DIET机制为基础的甲烷生产性能。尽管当下已有许多关于沼渣生物炭促进厌氧消化的研究，但尚缺少实际城镇有机固废产生的沼渣转化为含铁沼渣生物炭，并将其用于治理原始城镇有机固废的可持续性研究。

因此，本研究以实际城镇有机固废厌氧消化产生的含铁沼渣为原始材料，制备了不同碳化温度（300、400、500、600、700、800℃）下的含铁沼渣基生物炭；探究了以实际城镇有机固废为底物的厌氧消化实验，通过分析系统产甲烷性能和微生物群落特征，研究了不同碳化温度的含铁沼渣基生物炭对该系统厌氧消化性能的影响。以期为含铁沼渣基生物炭改善城镇有机固废厌氧消化，实现“以废治废”提供理论依据。

部分图表

图1 Fe-BC的制备及实验装置图

图2 （a）甲烷累积产量、（b）甲烷日产量、（c）甲烷含量、（d）挥发性悬浮固体去除率

图3 （a）细菌群落和（b）古菌群落的相对丰度

引文格式

刘梦谣, 何忻, 赵智强. 含铁沼渣基生物炭的制备及其对城镇有机固废厌氧消化性能的影响[J/OL]. 能源环境保护: 1-10[2025-03-13]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20250306.

LIU Mengyao, HE Xin, ZHAO Zhiqiang. Preparation of Iron-Containing Digestate-Based Biochar and Its Impacts on Anaerobic Digestion Performance of Urban Organic Solid Waste[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-10[2025-03-13]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20250306.

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期刊简介

《能源环境保护》创刊于1987年，双月刊，ISSN 2097-4183/CN 33-1264/X，是由中国煤炭科工集团有限公司主管、中煤科工集团杭州研究院有限公司主办的环境类学术期刊。主编由中国工程院高翔院士担任。主要刊载与能源环境保护有关的基础科学、技术科学及其交叉学科领域的学术论文。已被瑞典开放存取期刊目录（Directory of Open Access Journal，DOAJ）、美国《化学文摘》（Chemical Abstracts, CA）、俄罗斯《文摘杂志》（AJ，VINITI）、美国《乌利希期刊指南》（Ulrichweb）、欧洲学术出版中心（EuroPub）等数据库收录，连续6年入选《煤炭领域高质量科技期刊目录》T2级。在“双碳”目标下，将进一步聚焦学术前沿、荟萃科学发现、追踪最新动态、汇集最佳成果，推进降碳、减污、绿色低碳发展。

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编辑｜邵方嫄

审核｜金丽丽

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