新能源：碳化物發酵促進劑

【引言】

眾所周知，規模化養殖業的快速發展產生大量的糞污及廢棄物已成為環境污染的重要因素之一。規模化厭氧發酵沼氣工程是解決規模化養殖場糞污及廢棄物最有效的技術手段。但目前的規模化厭氧發酵沼氣工程面臨諸多問題。其中：不產氣、產氣量低下、降解不徹底、廢渣利用率低等是規模化厭氧發酵沼氣工程面臨的最主要的問題。研究表明：在厭氧發酵過程中加入添加劑或促進劑，能有效的改善厭氧發酵的環境、改善生物菌種的營養環境、提高產氣率、提高有機質的生物降解率、縮短厭氧發酵周期、改善沼渣沼液的穩定性、提高肥料化利用的肥效等。此外，在厭氧發酵中添加微量金屬元素，能夠大幅度提高厭氧發酵反應器的發酵性能和系統的穩定性。因而，開發高效廢棄生物厭氧發酵促進劑，對于實現循環經濟理念下的廢棄物的資源化綜合利用意義重大。

【成果簡介】

近期，西安建筑科技大學功能材料研究所云斯寧教授（通訊作者）新能源材料研究團隊在國際氫能權威期刊《International Journal of Hydrogen Energy》發表了題為“Application of nano-scale transition metal carbides as accelerants in anaerobic digestion”的論文，首次報道了納米尺度的碳化物（HfC，SiC，TiC和WC）作為促進劑應用于生物厭氧發酵。研究結果顯示：HfC、SiC、TiC和WC可以有效的改善厭氧發酵的環境和性能，累積產氣量分別為482，499，463和497mL/g TS；COD去除率分別為58.62%，78.90%，76.87%和78.18%。與對照組（294 mL/g TS，46.99%）相比，累積產氣量提高了63.9%、69.7%、57.4%和69.0%；COD去除率提高了24.7%、67.9%、63.6%和66.4%。進一步結果顯示：發酵后沼渣的N、P、K營養元素總含量接近于有機肥的值，意味著添加碳化物的沼渣有望實現高附加值的肥料化綜合利用。

圖1? 碳化物的x射線衍射圖譜

圖2 碳化物的顯微結構: HfC (a), SiC (b), TiC (c),和WC (d)

圖3 厭氧發酵的日產氣量(a)和累積產氣量(b)

圖4 厭氧發酵過程pH值的變化

圖5 厭氧發酵沼渣穩定性評估熱重分析曲線(a)和示差掃描量熱分析曲線(b)

圖6 納米尺度碳化物在厭氧發酵中應用效果

【總結與展望】

這是首次將碳化物作為促進劑應用于厭氧發酵領域的報道。這項工作通過添加納米尺度碳化物顯著改善厭氧發酵環境、提高底物利用率、提高沼渣沼液的穩定性等，有望將沼渣沼液作為潛在的NPK復合肥組份使用，實現廢棄物的肥料化綜合利用，為其它低成本無機非金屬過渡金屬化合物在生物發酵領域的應用提供了新思路。

【編者按】能源危機和環境污染是當今世界人類社會面臨的兩大難題，可再生能源的利用是解決這一問題的關鍵。太陽能和生物質能作為資源量最大的可再生能源，其高效開發和利于對于能源的可再生利用和社會的可持續發展意義非凡。西安建筑科技大學云斯寧教授新能源材料研究團隊，依托該校國家戰略性新型專業“資源循環科學與工程”和“功能材料”，聚焦于太陽能和生物質能的利用，開展與無機非金屬材料相關的基礎研究和技術應用開發，力圖通過新能源材料的研究和開發，解決國家發展過程中的重大能源需求，實現資源化循環綜合利用。

文獻鏈接：Application of nano-scale transition metal carbides as accelerants in anaerobic digestion (International Journal of Hydrogen Energy, 2017,?https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.11.092)

感謝云斯寧老師和論文作者對本文的指導！

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