西安建大云斯寧教授團隊Bioresour Technol：椰子殼衍生炭強化微生物電解池耦合厭氧共發酵系統性能提升
引言：
作為一種再生利用有機廢棄生物質的有效手段，厭氧發酵技術受到了廣泛關注。已有的研究表明：在厭氧發酵系統中引入碳材料可以有效地提升厭氧發酵系統的性能。此外，不同基質厭氧共發酵可以利用多種底物之間的協同效應，為厭氧發酵系統提供合適的營養元素和緩沖性能。而將微生物電解池與厭氧發酵系統進行耦合也可以有效地提升厭氧發酵系統的產甲烷性能。
成果簡介：
近期，西安建筑科技大學云斯寧教授（通訊作者）新能源材料研究團隊在國際期刊Bioresource Technology（期刊縮寫Bioresour Technol）上在線發表了題為“Coconut-shell-derived bio-based carbon enhanced microbial electrolysis cells for upgrading anaerobic co-digestion of cow manure and aloe peel waste（2021, 338, 125520）”的論文，報道了椰子殼生物質衍生炭（CBC）作為微生物電解池耦合厭氧發酵系統（MEC）添加劑，對牛糞和蘆薈皮廢棄物共發酵系統性能的提升作用。研究結果表明：當MEC系統的外加電壓為0.6 V，CBC添加劑濃度為0.15 wt.%時，MEC系統獲得了最高的累積沼氣產量（444.20 NmL/g VS）和化學需氧量（COD）去除率（75.46%），與對照組（CK）相比，累積沼氣產量和COD去除率提高了80.25%和58.33%。此外，厭氧共發酵系統的沼渣也具有良好的熱穩定性（37.12%–50.67%）和總營養含量（35.36–51.58 g/kg）。
生物炭強化微生物電解池提升厭氧共發酵系統性能的示意圖和作用效果
為理解生物炭CBC強化微生物電解系統對厭氧發酵性能的作用機制，作者提出了一種策略。一方面，MEC系統促進了底物的降解和CO2還原，從而促進了CH4的產生。同時，CBC憑借其優異的多孔性、導電性和電子交換能力為厭氧微生物提供了良好的繁殖場所，促進了微生物代謝和CH4的產生。另一方面，MEC系統和CBC的耦合作用，改善了發酵系統微生物的生存環境，促進了微生物代謝過程中的電子轉移，增加了CH4產量。
圖文導讀：
圖1 （a）MEC和CBC耦合厭氧共發酵資源回用與能源互補示意圖，（b）MEC和CBC耦合厭氧發酵系統實驗裝置和方案示意圖。? ??
圖2?不同電壓MEC系統和不同濃度CBC耦合MEC系統的日沼氣產量（a-b）和累積沼氣產量（c-d）。MEC系統的實測累積沼氣產量（點）和預測累積沼氣產量（線）（e）；MEC系統的甲烷和二氧化碳含量（f）；MEC系統的累積甲烷產量和平均甲烷含量（g）。MEC0.6和MEC0.6CBC0.15外部電路的電流密度（h）。
圖3 不同電壓MEC系統和不同濃度CBC耦合MEC系統的pH值（a-b）和COD去除率（c-d）。
圖4?沼渣樣品（CK、MEC0、MEC0.6和MEC0.6CBC0.15）的TG圖（a）、DTG圖（b）、質量損失圖（c）和DSC（d）圖。
圖5 CBC的電子交換能力（a）和轉移電子數（b）。CK、MEC0、MEC0.6和MEC0.6CBC0.15的循環伏安圖（c）和Nyquist圖（插圖：局部放大的Nyquist圖）（d）。
圖6 生物炭CBC強化微生物電解系統對厭氧發酵性能提升的作用機制示意圖。
總結：
這項工作采用生物質衍生生物炭強化微生物電解池，耦合厭氧發酵，提升共發酵系統的綜合性能，有望從“廢棄物高效降解”、“沼氣清潔生產”和“沼渣肥料化利用”等三個方面改善厭氧發酵系統的綜合性能，實現有機廢棄物（牲畜糞便和農業廢棄物等）的資源化綜合利用。提出的生物炭強化微生物電解池耦合厭氧發酵系統性能的提升策略，為改善生物電化學系統和開發高性能厭氧發酵促進劑提供了理論基礎和技術支持。
文獻鏈接：
Tian?Xing, Sining Yun*, Bingjie Li, Kaijun Wang, Jiageng Chen, Bo Jia, Teng Ke, Jinhang An. Coconut-shell-derived bio-based carbon enhanced microbial electrolysis cells for upgrading anaerobic co-digestion of cow manure and aloe peel waste. Bioresour. Technol., 2021, 338, 125520.?
https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125520
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0960852421008609?via%3Dihub
作者簡介：
通訊作者-云斯寧：西安建筑科技大學，二級教授，博士生導師，陜西省“特支計劃”科技創新領軍人才，陜西省中青年科技創新領軍人才。2007年于西安交通大學獲博士學位，學位論文獲2007年度西安交通大學優秀博士論文(14/423)。2007年獲準國家留學基金委“西部地區人才培養特別項目”資助。2008-2009年在韓國Yonsei University博士后研究。2011-2012年在DUT國家重點實驗室高級訪問研究。2015年8月訪問美國斯坦福大學、美國加州大學、美國勞倫斯伯克利國家實驗室。2016年8月英國里丁大學訪問交流。2016-2017年瑞士洛桑聯邦理工學院EPFL高級訪問交流。近年來主要從事無機非金屬能源材料高效和資源化利用研究。迄今以第一作者兼/或通訊作者在Chem Sov Rev, Prog Polym Sci, Energy?Environ Sci, Electrochem Energy Rev, Adv Mater, Adv Energy Mater, ACS Energy Lett, Nano Energy, Appl Catal B-Environ, Angew Chem Int Edit, Renew Sust Energ Rev, J Mater Chem A, Chem Eng J, ChemSusChem, Carbon, J Power Sources, Bioresource Technol等國內外行業主流期刊上發表SCI論文120余篇。主編/參編專著9部，其中：主編外文專著2部；主編中文專著1部(2014獲中國石油和化學工業優秀出版物二等獎)；主編研究生教材1部；參編中國、法國、印度、瑞典、波蘭教授專著5部（之一下載量超過10萬余次）。擁有26項國家授權專利技術。
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