西安建大云斯宁教授团队Bioresour Technol：椰子壳衍生炭强化微生物电解池耦合厌氧共发酵系统性能提升
引言：
作为一种再生利用有机废弃生物质的有效手段，厌氧发酵技术受到了广泛关注。已有的研究表明：在厌氧发酵系统中引入碳材料可以有效地提升厌氧发酵系统的性能。此外，不同基质厌氧共发酵可以利用多种底物之间的协同效应，为厌氧发酵系统提供合适的营养元素和缓冲性能。而将微生物电解池与厌氧发酵系统进行耦合也可以有效地提升厌氧发酵系统的产甲烷性能。
成果简介：
近期，西安建筑科技大学云斯宁教授（通讯作者）新能源材料研究团队在国际期刊Bioresource Technology（期刊缩写Bioresour Technol）上在线发表了题为“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）”的论文，报道了椰子壳生物质衍生炭（CBC）作为微生物电解池耦合厌氧发酵系统（MEC）添加剂，对牛粪和芦荟皮废弃物共发酵系统性能的提升作用。研究结果表明：当MEC系统的外加电压为0.6 V，CBC添加剂浓度为0.15 wt.%时，MEC系统获得了最高的累积沼气产量（444.20 NmL/g VS）和化学需氧量（COD）去除率（75.46%），与对照组（CK）相比，累积沼气产量和COD去除率提高了80.25%和58.33%。此外，厌氧共发酵系统的沼渣也具有良好的热稳定性（37.12%–50.67%）和总营养含量（35.36–51.58 g/kg）。
生物炭强化微生物电解池提升厌氧共发酵系统性能的示意图和作用效果
为理解生物炭CBC强化微生物电解系统对厌氧发酵性能的作用机制，作者提出了一种策略。一方面，MEC系统促进了底物的降解和CO2还原，从而促进了CH4的产生。同时，CBC凭借其优异的多孔性、导电性和电子交换能力为厌氧微生物提供了良好的繁殖场所，促进了微生物代谢和CH4的产生。另一方面，MEC系统和CBC的耦合作用，改善了发酵系统微生物的生存环境，促进了微生物代谢过程中的电子转移，增加了CH4产量。
图文导读：
图1 （a）MEC和CBC耦合厌氧共发酵资源回用与能源互补示意图，（b）MEC和CBC耦合厌氧发酵系统实验装置和方案示意图。
图2 不同电压MEC系统和不同浓度CBC耦合MEC系统的日沼气产量（a-b）和累积沼气产量（c-d）。MEC系统的实测累积沼气产量（点）和预测累积沼气产量（线）（e）；MEC系统的甲烷和二氧化碳含量（f）；MEC系统的累积甲烷产量和平均甲烷含量（g）。MEC0.6和MEC0.6CBC0.15外部电路的电流密度（h）。
图3 不同电压MEC系统和不同浓度CBC耦合MEC系统的pH值（a-b）和COD去除率（c-d）。
图4 沼渣样品（CK、MEC0、MEC0.6和MEC0.6CBC0.15）的TG图（a）、DTG图（b）、质量损失图（c）和DSC（d）图。
图5 CBC的电子交换能力（a）和转移电子数（b）。CK、MEC0、MEC0.6和MEC0.6CBC0.15的循环伏安图（c）和Nyquist图（插图：局部放大的Nyquist图）（d）。
图6 生物炭CBC强化微生物电解系统对厌氧发酵性能提升的作用机制示意图。
总结：
这项工作采用生物质衍生生物炭强化微生物电解池，耦合厌氧发酵，提升共发酵系统的综合性能，有望从“废弃物高效降解”、“沼气清洁生产”和“沼渣肥料化利用”等三个方面改善厌氧发酵系统的综合性能，实现有机废弃物（牲畜粪便和农业废弃物等）的资源化综合利用。提出的生物炭强化微生物电解池耦合厌氧发酵系统性能的提升策略，为改善生物电化学系统和开发高性能厌氧发酵促进剂提供了理论基础和技术支持。
文献链接：
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
作者简介：
通讯作者-云斯宁：西安建筑科技大学，二级教授，博士生导师，陕西省“特支计划”科技创新领军人才，陕西省中青年科技创新领军人才。2007年于西安交通大学获博士学位，学位论文获2007年度西安交通大学优秀博士论文(14/423)。2007年获准国家留学基金委“西部地区人才培养特别项目”资助。2008-2009年在韩国Yonsei University博士后研究。2011-2012年在DUT国家重点实验室高级访问研究。2015年8月访问美国斯坦福大学、美国加州大学、美国劳伦斯伯克利国家实验室。2016年8月英国里丁大学访问交流。2016-2017年瑞士洛桑联邦理工学院EPFL高级访问交流。近年来主要从事无机非金属能源材料高效和资源化利用研究。迄今以第一作者兼/或通讯作者在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等国内外行业主流期刊上发表SCI论文120余篇。主编/参编专著9部，其中：主编外文专著2部；主编中文专著1部(2014获中国石油和化学工业优秀出版物二等奖)；主编研究生教材1部；参编中国、法国、印度、瑞典、波兰教授专著5部（之一下载量超过10万余次）。拥有26项国家授权专利技术。
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