循环生物能源方法：基于消化物的生物炭，用于提高氨胁迫条件下的厌氧消化性能

《Regional Studies in Marine Science》：Circular bioenergy approach: Digestate-based biochar for enhancing anaerobic digestion performance under ammonia stress

本研究利用玉米秸秆厌氧消化产生的消化物制备生物炭（RBC），通过500℃热解2小时，发现RBC能显著吸附氨氮、缓冲pH并促进微生物附着及电子传递，在高氨负荷（>1500 mg/L）条件下使甲烷产量提升20.02%，并增强产甲烷菌（Methanobacterium和Methanomassiliicoccus）丰度，其机制与RBC的高比表面积（26.15 m2/g）、孔隙结构及氧化还原活性密切相关。该技术实现了消化物资源化利用，为稳定高负荷厌氧消化提供了新策略。

　　

传飞边|修荣仁|高新|帅帅马|洪亮王|穆罕默德·乌斯曼·汗|邢尧孟|万斌朱

中国农业大学农学与生物技术学院生物质工程中心，北京，100193，中国

摘要

为了解决高负荷厌氧消化（AD）中氨抑制和消化物积累的双重挑战，本研究探讨了以消化物为基础的生物炭（RBC）作为功能性添加剂的作用。RBC通过在500°C下热解2小时制备，并在合成高氨废水环境中进行了测试。在氨压力下，甲烷产量累计减少了39.77%，而添加RBC后，微生物适应性和底物利用得到改善，甲烷产量增加了20.02%。这些改善与RBC的高比表面积、发达的孔隙结构和氧化还原活性有关，这些特性促进了氨的吸附、pH值缓冲、微生物定殖以及种间电子转移。微生物群落分析和功能预测显示，RBC丰富了Firmicutes和Synergistota菌群，支持了乙酸生成；Methanobacterium和Methanomassiliicoccus的相对丰度分别增加了11.01%和23.79%。此外，共甲基转移酶基因的丰度增加了107%，表明促进了氢营养型和甲基营养型甲烷生成途径。总体而言，RBC有效缓解了氨抑制，提高了甲烷产量，并增强了工艺稳定性。这一策略还实现了消化物的增值利用，为循环经济框架下的生物能源生产提供了可持续途径。

引言

随着全球农业集约化的加剧，来自作物残余物和畜禽粪便的生物质废物年产量估计达到100-150亿吨[1]。高效利用这些丰富的生物质资源已成为紧迫的挑战。在这种情况下，基于厌氧消化（AD）的协同资源回收和能量转化能力，使其成为处理生物质废物的潜在技术[2]。AD系统将有机固体废物转化为沼气（其中甲烷占55-70%），同时产生富含氮的消化物，可作为高质量有机肥料，从而形成了废物、能源和农业之间的闭环[3]。在AD系统中，总氨氮（TAN）主要以铵离子（NH₄⁺-N）和游离氨氮（FAN）的形式存在[4]。当TAN超过约1500 mg/L且FAN超过约40 mg/L时，如Methanosarcina和Methanosaeta等甲烷生成菌会受到显著抑制，导致甲烷产量大幅下降[5]。这种现象称为氨抑制。高C/N比秸秆与低C/N比粪便的共消化可以增加沼气产量，但连续进料常会引发氨抑制[6]。诸如富含碳的共底物、严格的pH/温度控制、生物强化和吸附剂等对策可以减轻影响，但其效果取决于原料类型，可能扰乱微生物群落，增加成本，并且缺乏长期稳定性验证[7]。玉米秸秆通常在收获后被焚烧或丢弃，导致空气污染和碳损失。由于富含纤维素、半纤维素和木质素，玉米秸秆适合进行热化学转化[2]。由玉米秸秆制成的生物炭可以改善土壤质量，储存碳，并吸附氨和重金属等污染物。它还可以作为AD过程中的添加剂，调节pH值并促进微生物生长，为秸秆和消化物的利用提供了可持续方式[8]。

消化物是AD过程中的重要副产品，富含有机物、氮和磷[9]。然而，其高水分含量、大体积和潜在的污染物负荷给这种丰富的可再生资源的利用带来了挑战。大多数关于消化物的研究集中在堆肥上，虽然可以有效提高土壤肥力和有机质含量，但可能存在病原体传播和异味排放的风险[10]。生物炭是一种通过有机物热解产生的多孔且富含碳的材料，因其高比表面积和丰富的表面官能团而受到广泛关注，作为增强AD性能的添加剂[11]。生物炭可以吸附氨氮，从而降低其对微生物的毒性，并为微生物定殖提供理想表面[12]。此外，生物炭可能促进微生物细胞间的直接电子转移（DIET），加速底物降解和转化，同时提高甲烷产量。初步研究表明，将生物炭加入AD系统可以减少氨抑制，帮助快速启动工艺，并总体上提高工艺稳定性[13]。

近年来，消化物的热解资源利用已成为国内外的研究重点。研究表明，通过热解制备的以消化物为基础的生物炭通常具有相对较高的比表面积、丰富的孔结构、适中的碳含量（25-55 wt% C）以及多样的活性官能团[14]。这些特性赋予RBC优异的吸附能力、pH值缓冲能力和微生物附着性能，使其成为AD过程中的有前景的功能性添加剂[15]。例如，NH₄⁺可以通过静电吸引和表面络合作用被生物炭吸附[16]。这种吸附机制可以缓解AD中的pH值波动和氨抑制问题。此外，以消化物为基础的生物炭（RBC）可能为DIET提供潜在机会，有利于甲烷生成的推进。尽管大量研究证明了生物炭在缓解氨抑制方面的效果，但仍存在关键知识空白。目前缺乏关于不同原料（木质纤维素 vs. 消化物基）制成的生物炭在实际AD过程中的作用机制的系统性比较研究，特别是RBC在调节氨氮形态和塑造微生物群落结构方面的独特优势。

在本研究中，使用原始玉米秸秆及其AD产生的消化物作为原料，通过高温热解制备了秸秆基生物炭（SBC）和以消化物为基础的生物炭（RBC）。随后在模拟高氨氮条件下进行了高固体厌氧消化（HSAD）实验。主要研究目标包括：（1）评估不同生物炭浓度（0.1、1.0和3.0 g/L）对甲烷产量和动力学特性的影响；（2）分析添加生物炭过程中微生物群落结构和代谢功能的变化。本研究旨在建立氨压力下AD的缓解机制，并为在高氨和高负荷环境中应用RBC作为功能性添加剂提供理论基础，从而为消化物的资源利用和清洁能源系统的可持续发展提供理论指导和实践方法。

部分摘录

AD底物、接种物和生物炭的来源

在本研究中，选择玉米秸秆及其AD消化物作为生物炭生产的原料。这两种材料首先在电加热炉（DHG-9140A，上海亿恒，中国）中以105°C干燥24小时以去除水分，然后通过150目筛子筛选以确保颗粒大小均匀，再进行热解。玉米秸秆来自北京海淀区，其消化物来自仅使用玉米秸秆作为底物的消化器。

生物炭特性

SBC和RBC的物理化学性质和元素组成总结见表S1。与SBC相比，RBC表现出显著更高的比表面积（26.15 m²/g vs. 5.42 m²/g）和孔隙体积（0.058 m²/g vs. 0.016 m²/g），表明其更发达的孔隙结构有利于微生物定殖和质量传递。尽管平均孔径较小（8.82 nm vs. 12.11 nm），RBC的中孔特性更有利于厌氧条件下的底物扩散。

结论

本研究评估了RBC在高氨条件下缓解批次AD中氨抑制的有效性和潜在机制。氨压力显著降低了甲烷产量和生成速率，而添加RBC部分缓解了这些抑制效应。RBC可能通过其发达的孔隙结构/比表面积和氧化还原活性增强甲烷产量。使用改进的Gompertz模型拟合甲烷生成数据表明，RBC增加了...

CRediT作者贡献声明

传飞边：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，可视化，调查，正式分析，数据管理。修荣仁：数据管理。高新：数据管理。帅帅马：数据管理。洪亮王：监督，资源获取，资金筹集，数据管理。穆罕默德·乌斯曼·汗：撰写初稿。邢尧孟：撰写初稿。万斌朱：监督，资源获取，资金筹集，正式分析，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了现代农业工业技术系统北京创新团队（BAIC08-2025-FQ02）、三亚亚洲湾科技城项目（SCKJ-JYRC-2022-51）以及中国农业大学2115人才发展计划（1011-00109018）的支持。