《Renewable Energy》：Enhancing Methane Recovery from Food Waste Using Walnut Shell Biochar and Garbage Enzymes
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核桃壳生物炭（WSBC）和垃圾酶（GE）单独及协同作用对食物 waste厌氧消化产甲烷的影响研究表明，WSBC最佳浓度为15 g/L时甲烷产量提升6.0%，而GE在15%（v/v）时提升15.3%，两者协同应用可使甲烷产量提高24.7%。WSBC通过改善微生物附着和缓冲能力稳定消化过程，GE则加速水解和酸化阶段，二者协同实现水解-酸化-产甲烷过程的动态平衡优化。
阿努斯里·纳拉迪伊尔（Anusree Nalladiyil）、V·莫兹哈拉西（V. Mozhiarasi）、迪尔克·魏希格雷贝（Dirk Weichgrebe）、G·L·西瓦库马尔·巴布（G.L. Sivakumar Babu）
印度班加罗尔印度科学研究所可持续技术中心，邮编560012
摘要
本研究探讨了核桃壳衍生生物炭（WSBC）和垃圾酶（GE）对食物废弃物厌氧消化的单独及联合效应，重点关注甲烷的回收。WSBC的测试浓度分别为5、10、15和20克/升，垃圾酶的体积浓度分别为5%、10%、15%和20%（v/v），随后在最佳剂量下进行联合应用。WSBC的添加表现出剂量依赖性反应，其中15克/升被认为是最佳剂量，能够提高甲烷产量并稳定消化过程；而较高剂量（20克/升）则会导致性能下降。垃圾酶增强了水解和产酸阶段，显著增加了沼气产量；然而，当垃圾酶浓度超过15%（v/v）时，甲烷产量趋于平稳，且低剂量会导致短暂的酸化现象。单独使用时，15%（v/v）的垃圾酶使甲烷产量比对照组提高了15.3%，而WSBC（15克/升）则提高了6.0%。联合应用（15%（v/v）垃圾酶 + 15克/升WSBC）表现出协同效应，甲烷产量提高了24.7%（606.7 ± 27.6毫升/克VS），尽管观察到了滞育现象。结果表明，WSBC稳定了甲烷生成过程，而垃圾酶加速了底物水解，两者的优化整合为在循环经济框架内提高食物废弃物中可再生能源的回收提供了一种有效且低成本的策略。
引言
在欧盟，每年产生约5800万吨食物废弃物，其中德国 alone 贡献了约1190万吨。[1]、[2] 2020年，德国人均每年产生的食物废弃物约为131公斤。[2] 这些废弃物主要通过堆肥和厌氧消化进行处理。在过去几十年中，厌氧消化已成为处理城市固体废弃物中有机部分的关键策略，从而建立了大规模的厌氧消化设施。然而，大规模厌氧消化的一个显著限制是启动阶段不稳定，这是由于挥发性脂肪酸（VFA）的不可逆积累，有时会导致工艺失败。[3] 为了解决这个问题，研究探索了将生物炭作为添加剂用于厌氧消化，以提高工艺稳定性和甲烷产量。[4]、[5]
Lim等人[6]研究了使用木屑生物炭进行食物废弃物嗜热厌氧消化启动阶段的工艺稳定性。他们的发现表明，含有10克/升生物炭的反应器相比对照组，甲烷产量提高了18%。Kaur等人[7]研究了三种不同的生物炭——软木颗粒、油菜籽颗粒和小麦秸秆颗粒——对食物废弃物和污泥中温共消化的影响。结果表明，甲烷产量比对照组增加了4-24%。Wang等人[8]发现，加入生物炭可使沼气产量提高22-40%，同时还能增加电活性微生物和产甲烷菌的相对丰度。[9] 然而，生物炭也可能通过释放持久性自由基和吸附信号分子来抑制微生物功能。[4] 因此，在生物炭的有益效应和抑制效应之间取得平衡至关重要。值得注意的是，与其他碳基材料（如石墨烯和碳纳米管）相比，生物炭具有更好的经济可行性，因为它可以从废弃物生物质中制备。[10] 它可以无缝集成到厌氧消化设施中，无需额外的基础设施改造，从而具有成本效益。[11]
核桃壳由于其高可用性和木质纤维素含量，是生产生物炭的特别有前景的原料。2016年，全球核桃产量约为376万吨，由于壳占果实重量的近67%，大量这种生物质通常被丢弃或焚烧，导致环境退化。[12]、[13] 由于核桃壳的高碳含量和发达的孔隙结构，核桃壳衍生生物炭（WSBC）在各种处理应用中表现出良好的物理化学性质。[14] 其高表面积和官能团使其特别适用于稳定复杂的微生物过程，如厌氧消化。[4] 因此，将核桃壳作为生物炭前体进行利用，为农业废弃物管理提供了可持续的途径，同时增强了资源回收和可再生能源的生产。
厌氧消化中的另一个挑战是水解速率较慢。添加生物炭并不总能提高水解速率或减少水力保留时间，中温反应器通常需要20到30天才能完成水解。[15] 为了解决这个问题，可以使用水解酶；然而，工业级水解酶价格昂贵。值得注意的是，垃圾酶（GE）来源于水果和蔬菜废弃物，含有纤维素酶、脂肪酶、淀粉酶和蛋白酶等水解酶，可以改善水解速率并加速厌氧消化过程。[16]、[17] 尽管垃圾酶已应用于废水处理（如渗滤液[18]、[19]）和污泥管理[17]、[20]，但其在处理城市固体废弃物中的应用报道较少。Weide等人[21]报告称，较高的酶剂量并不一定带来更大的效果，表明可能存在实现预期效果的最佳剂量。Jiang等人[20]发现，在污水污泥堆肥（好氧）中联合使用生物炭和垃圾酶显著提高了酶活性，总有机碳降解率分别提高了9.8%和21.9%。
尽管有这些有希望的发现，但垃圾酶在厌氧消化中用于可再生能源生产的应用仍然很大程度上未被探索，对其有效性的研究也很有限。此外，关于生物炭和垃圾酶在厌氧消化中的联合应用也尚未有报道，因此本研究首次系统地评估了它们的联合效应。本研究的目的是探讨WSBC和垃圾酶对食物废弃物厌氧消化的单独和协同效应，以提高沼气和甲烷产量。具体而言，研究旨在：(i) 根据它们对消化性能的剂量依赖性影响确定WSBC和垃圾酶的最佳剂量；(ii) 评估它们联合应用的交互作用和协同效应与单独添加的效果；(iii) 阐明控制稳定性、酸化和甲烷回收的潜在过程机制。通过整合两种具有不同功能的废弃物衍生添加剂，这项工作超越了单一添加剂的方法，为在循环经济框架内提高可再生能源回收和食物废弃物利用提供了新的、低成本的策略。
部分摘录
底物和接种液的收集
实验所用接种液来自德国下萨克森州的厌氧消化器。食物废弃物来自德国下萨克森州汉诺威莱布尼茨大学（Leibniz University）的校园厨房。食物废弃物主要由水果和蔬菜（90.5%）组成，还包括煮熟的肉类和鸡蛋（9.5%），总固体（TS）含量为29.53%，VS/TS比为0.95。
核桃壳生物炭的制备
使用Juglans regia L.的核桃壳制备生物炭。核桃壳的收集来源为
接种液、垃圾酶和食物废弃物
首先对接种液、垃圾酶（GE）和WSBC进行了表征，以评估它们增强有机废弃物厌氧消化的适用性。接种液的pH值为7.44，总固体（TS）含量为26.17 ± 0.19克/升，VS含量为18.47 ± 0.17克/升。垃圾酶的pH值为3.1，TS含量为3.58克/升，VS含量为2.80克/升。WSBC的比表面积（SSA）为292平方米/克，孔隙体积为0.133立方厘米/克。先前的研究表明，SSA大于190平方米/克的生物炭能显著促进微生物定植。
结论
研究表明，单独或联合使用WSBC和垃圾酶作为可持续的废弃物衍生添加剂，可以通过剂量依赖性和协同效应来增强食物废弃物的厌氧消化。WSBC的最佳添加量为15克/升，此时甲烷产量最高（515.3毫升/克VS），并且微生物适应速度快，这归因于缓冲能力的提高和表面介导的稳定性。超过这一剂量会导致效果下降。
作者贡献声明
G·L·西瓦库马尔·巴布（G L Sivakumar Babu）：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目行政。阿努斯里·纳拉迪伊尔（ANUSREE NALLADIYIL）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、研究设计、资金获取、数据分析、概念化。迪尔克·魏希格雷贝（Dirk Weichgrebe）：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、软件使用、资源管理、项目行政、方法论、资金获取、概念化。V·莫兹哈拉西（V Mozhiarasi）：撰写 – 审稿与
利益冲突声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：阿努斯里·纳拉迪伊尔（ANUSREE NALLADIYIL）报告称获得了印德可持续发展中心（Indo-German Centre for Sustainability）的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
