活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭對生產甲烷的作用，活性炭可以促進有機廢物產生甲烷，這個已經有很多人研究證實過了。在本研究中，將不同的活性炭劑量0,0.5，5和25g/L添加到厭氧消化器中，并且分別表征乙酸鹽，丙酸鹽和丁酸鹽的產甲烷降解動力學。在5g/L的高有機負荷下，丙酸和丁酸的降解率在不同的活性炭劑量下增加1.5-4.7倍和2.5-7.0倍。甲烷生產率當丙酸和丁酸的添加量增加到5g/L時顯著升高。然而，對于1g/L或5g/L的乙酸鹽降解，僅發現少量增加。活性炭促進丙酸鹽和丁酸鹽的協同降解的促進機制可以主要歸因于對乙酸生成的觸發作用，正如互變細菌富集證明了這一點。

　　通過厭氧消化生物甲烷生產是利用全球生物能源最成功的策略之一。一般來說，厭氧甲烷生成是由幾組參與水解，酸化，乙酰化和甲烷生成過程的微生物進行的。發酵細菌和產乙酸菌從復雜大分子的降解中產生揮發性脂肪酸和其他中間體，如乳酸，乙醇和丁醇等。生產甲烷菌利用簡單的有機基板，諸如乙酸鹽，CO 2/H 2，甲醇，和甲酸，以產生甲烷。

　　目前有相當多的研究旨在通過補充導電性鐵氧化物如磁鐵礦和Fe0或導電碳材料如活性炭，生物炭，碳布和石墨等。在具有導電材料的反應器中刺激的甲烷生產可歸因于促進直接種間電子轉移。一個潛在的原因是非生物導電材料的可用性可以節約細胞能量，因為它們不需要產生廣泛的細胞外生物電連接，例如導電菌毛和c型細胞色素。活性炭還可以提供高比表面積用于有效地固定互生微生物，活性炭與微生物產生不同的結果可能歸因于不同的接種物或不同屬性的活性炭，例如單一/混合揮發性脂肪酸，乙醇或復雜有機物質。因此，需要進一步的測試以了解用活性炭材料消化器中的丙酸鹽和丁酸鹽的共生社區。

　　圖1。活性炭對生產甲烷的作用了解。

　　基于上述原理，本研究分別在補充了一系列活性炭劑量(即0.5-25g/L)的甲烷消化器中研究乙酸鹽，丙酸鹽和丁酸鹽的降解動力學。同時，比較兩種不同的底物有機負荷，即1g/L和5g/L。利用一級動力學和修正對揮發性脂肪酸的降解率和產甲烷率進行了評價。高通量技術被用于檢測微生物群落結構，并且由于活性炭添加而引起的互變性降解細菌和產甲烷菌的交替。

　　在實驗過程中，將測定的富集污泥體積放入500mL含400mL消化液的瓶中，使總揮發性懸浮固體(TVSS)的最終濃度為1g/L。將20-40目不同劑量的活性炭分別補充至瓶內，分別為0,0.5,5和25g/L，記錄為活性炭0，活性炭0.5，活性炭5和活性炭25。其表觀密度和比表面積分別為430±30g/L和875-1185m2/g。隨后，醋酸鹽，丙酸鹽和丁酸鹽轉化為甲烷的轉化率在1g/L和5g/L濃度的批次研究中評估具體富集的培養物。在兩批預培養后收集數據，并且每個測試進行三次。用培養箱振蕩器將反應器溫度保持在35±2℃。

　　活性炭與VFAs降解和高強度甲烷生成

　　圖2。使用不同劑量的活性炭降解5g/L VFA(a-c)和相應的甲烷生產(eh)。

　　活性炭初始濃度為5g/L時，乙酸馴化培養仍然表現出較高的代謝活性，補充活性炭幾乎不影響甲烷生產率。最終得到甲烷由醋酸約為0.45 mmol-CH4/mmol-Cadded，這是接近在乙酸(例如，1克/升)的低強度而得到的值。但當底物濃度從1g/L增加到5g/L時，丙酸和丁酸的產甲烷轉化率明顯受到抑制。丙酸和丁酸酯反應器的滯后相時間為活性炭0的4.2天和12.7天。這與先前的研究一樣，甲烷生成易受高濃度VFA影響，主要歸因于未解離的VFA對甲烷菌的生長和代謝的抑制。盡管如此，在本研究中加入活性炭顯著加速了丙酸和丁酸的代謝。如圖2所示，當活性炭濃度從0.5g/L增加到25g/L時，丙酸鹽進料反應器的滯后相期從3.4d減少到0.9d，丁酸進料反應器的滯后期從12.7d減少到7.8d。

　　計算每種VFA物種的降解動力學(k)并呈現在表1中。基本上，R2高，特別是在低活性炭劑量時，僅HBu(5.0g/L)的R2低于其他。其原因可能是由于抑制作用，導致S形功能的偏離。以5g/L的丙酸鹽作為底物時，消化器中的k值增加約1.5倍，即當活性炭劑量從0增加到25g/L時，從0.0022增加到0.0056h-1。對丁酸酯降解的刺激作用更顯著，其動力學值增加7.1倍，即從0.0043至0.0306h-1當活性炭劑量從0增加到25g/L時。上述結果清楚地表明補充活性炭可以劑量依賴性的方式促進丙酸和丁酸的甲烷生成。值得注意的是，雖然丙酸和丁酸的降解速度通過補充活性炭而顯著增加，但它們的速率仍低于乙酸鹽的速率，范圍為0.0386-0.0431 h-1。這些結果進一步證實了丙酸和丁酸轉化的困難，以及進一步探索促進機制的重要性。

　　這項研究表明，活性炭的作用在重有機負荷下，補充適當的活性炭劑量可以加速丙酸鹽和丁酸鹽的共生降解。具體而言，丙酸和丁酸的降解率在5克/L活性炭的環境中大幅增加了1.5和4.2倍，與對照相比(活性炭0)，然而較小的增量被發現時進一步增加活性炭劑量至25g/L。因此，推薦將較低劑量的活性炭用于厭氧消化器，并且該方法用于改善消化器性能的經濟性將是有利的。活性炭有益于富集互養性氧化細菌，但需要一段時間的培養，因此建議將活性炭保留在連續進料消化器內。

本文鏈接：http://www.yuzhanleddeng.com/hangye/hy624.html

查看更多分類請點擊：公司資訊    行業新聞    媒體報導    百科知識