新能源：碳化物发酵促进剂

【引言】

众所周知，规模化养殖业的快速发展产生大量的粪污及废弃物已成为环境污染的重要因素之一。规模化厌氧发酵沼气工程是解决规模化养殖场粪污及废弃物最有效的技术手段。但目前的规模化厌氧发酵沼气工程面临诸多问题。其中：不产气、产气量低下、降解不彻底、废渣利用率低等是规模化厌氧发酵沼气工程面临的最主要的问题。研究表明：在厌氧发酵过程中加入添加剂或促进剂，能有效的改善厌氧发酵的环境、改善生物菌种的营养环境、提高产气率、提高有机质的生物降解率、缩短厌氧发酵周期、改善沼渣沼液的稳定性、提高肥料化利用的肥效等。此外，在厌氧发酵中添加微量金属元素，能够大幅度提高厌氧发酵反应器的发酵性能和系统的稳定性。因而，开发高效废弃生物厌氧发酵促进剂，对于实现循环经济理念下的废弃物的资源化综合利用意义重大。

【成果简介】

近期，西安建筑科技大学功能材料研究所云斯宁教授（通讯作者）新能源材料研究团队在国际氢能权威期刊《International Journal of Hydrogen Energy》发表了题为“Application of nano-scale transition metal carbides as accelerants in anaerobic digestion”的论文，首次报道了纳米尺度的碳化物（HfC，SiC，TiC和WC）作为促进剂应用于生物厌氧发酵。研究结果显示：HfC、SiC、TiC和WC可以有效的改善厌氧发酵的环境和性能，累积产气量分别为482，499，463和497mL/g TS；COD去除率分别为58.62%，78.90%，76.87%和78.18%。与对照组（294 mL/g TS，46.99%）相比，累积产气量提高了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%。进一步结果显示：发酵后沼渣的N、P、K营养元素总含量接近于有机肥的值，意味着添加碳化物的沼渣有望实现高附加值的肥料化综合利用。

图1  碳化物的x射线衍射图谱

图2 碳化物的显微结构: HfC (a), SiC (b), TiC (c),和WC (d)

图3 厌氧发酵的日产气量(a)和累积产气量(b)

图4 厌氧发酵过程pH值的变化

图5 厌氧发酵沼渣稳定性评估热重分析曲线(a)和示差扫描量热分析曲线(b)

图6 纳米尺度碳化物在厌氧发酵中应用效果

【总结与展望】

这是首次将碳化物作为促进剂应用于厌氧发酵领域的报道。这项工作通过添加纳米尺度碳化物显著改善厌氧发酵环境、提高底物利用率、提高沼渣沼液的稳定性等，有望将沼渣沼液作为潜在的NPK复合肥组份使用，实现废弃物的肥料化综合利用，为其它低成本无机非金属过渡金属化合物在生物发酵领域的应用提供了新思路。

【编者按】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非凡。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。

文献链接：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)

感谢云斯宁老师和论文作者对本文的指导！

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