西建大云斯宁教授厌氧发酵技术：生物质衍生多孔碳厌氧发酵促进剂

生物质能作为可再生能源中的重要组成部分，展现出巨大的开发与应用潜力。规模化厌氧发酵沼气工程是实现生物质能转换的有效技术手段，但该技术面临许多难题，如产气效率低、发酵底物降解不彻底、发酵环境不稳定、末端产物沼渣利用率低。已有的研究表明：采用共发酵模式和引入外源促进剂均能够有效改善厌氧发酵系统的发酵性能，如改善发酵环境、提高有机质降解率、缩短发酵周期、提高沼气产量、改善沼渣沼液的稳定性及肥效性等。显然，开发高效的厌氧发酵促进剂对于实现废弃物的资源化综合利用意义重大。

近期，西安建筑科技大学功能材料研究所云斯宁教授（点击查看介绍）（通讯作者）新能源材料研究团队在国际生物资源技术权威期刊Biosource Technology 发表论文，首次报道了生物质衍生多孔碳作为低成本功能性促进剂成功地应用于废弃物厌氧共发酵体系。在该厌氧共发酵体系中，规模化养殖业废弃物（牛粪）和食品加工业废弃物（橡子渣）作为底物；废弃物（食品加工业芦荟皮和橡子壳）制备的生物质衍生多孔碳作为促进剂。研究结果显示：合适的底物配比能使共发酵系统获得最佳的发酵性能；与对照组（409.2 mL/g VS；255.1 mL/g VS；54.96%）相比，引入生物质碳促进剂可显著提高共发酵系统的发酵性能（累积沼气产量：431.4-580.9 mL/g VS；甲烷产量：368.1-385.8 mL/g VS；COD降解率：60.59-79.37%）。此外，引入生物质碳促进剂，共发酵系统所获得的沼渣具有良好的稳定性和优异的氮、磷、钾营养元素含量，其总营养含量高于商用生物有机肥的总营养含量，这意味着该类废弃物资源有望实现高附加值的肥料化综合利用。

图1 (a)生物质废弃物资源化利用示意图；(b)实验设计图。

图2 不同类型生物质碳促进剂的(a)X射线衍射图谱；(b, c)显微结构；(d)拉曼光谱；(e, f)氮气吸-脱附及孔径分布曲线。

图3 引入不同类型促进剂厌氧共发酵日产气量和累积产气量的变化规律

图4 引入不同类型生物质碳促进剂厌氧共发酵系统(a-c)pH与(d-f)COD的变化规律

图5 引入不同类型生物质碳促进剂厌氧共发酵系统沼渣稳定性评估。(a)热重分析曲线；(b)热重曲线对应的质量损失；(c) 差示扫描量热分析曲线；(d) 微分热重分析曲线

图6 生物质碳促进剂在厌氧共发酵系统中的作用机制

图7 生物质碳促进剂在厌氧共发酵系统中应用效果（产气量和肥效）

这是首次将生物质衍生多孔碳基促进剂与共发酵技术相结合应用于厌氧发酵领域的报道。生物质衍生多孔碳基促进剂能够显著改善厌氧发酵环境、提高有机底物利用率、提高沼渣沼液的稳定性及肥效性等，有望实现废弃物（如规模化养殖业牛粪废弃物、食品加工业废弃物橡子渣、食品加工业芦荟皮废弃物、食品加工业橡子壳废弃物等）的无害化及资源化综合利用。此外，这项工作提出的生物质衍生多孔碳基促进剂在厌氧共发酵系统中潜在的作用机制，从实验和理论上阐明了其对发酵性能提升的起源，为未来厌氧发酵碳基促进剂的设计与开发提供了理论指导和技术支撑。

简评

能源危机和环境污染是当今世界人类社会面临的两大难题，可再生能源的利用是解决这一问题的关键。太阳能和生物质能作为资源量最大的可再生能源，其高效开发和利于对于能源的可再生利用和社会的可持续发展意义重大。西安建筑科技大学云斯宁教授新能源材料研究团队，依托该校国家战略性新型专业“资源循环科学与工程”和“功能材料”，聚焦于太阳能和生物质能的利用，开展与无机非金属材料相关的基础研究和技术应用开发，力图通过新能源材料的研究和开发，解决国家发展过程中的重大能源需求，实现资源化循环综合利用。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Mesophilic anaerobic co-digestion of acorn slag waste with dairy manure in a batch digester: Focusing on mixing ratios and bio-based carbon accelerants

Ziqi Wang, Sining Yun,* Hongfei Xu, Chen Wang, Yangliang Zhang, Jiageng Chen, Bo Jia

Bioresource Technol., 2019, 286, 121394, DOI: 10.1016/j.biortech.2019.121394

导师介绍

云斯宁

https://www.x-mol.com/university/faculty/47840