生物炭热解温度对渗滤床中鸡粪厌氧消化过程的影响，该渗滤床与生物炭过滤器相连

《Bioresource Technology Reports》：The influence of biochar pyrolysis temperature on anaerobic digestion of chicken litter in a leach bed coupled to a biochar filter

鸡粪干式厌氧消化系统中，应用不同热解温度（450-900℃）的木炭作为滤料，对甲烷产量影响不显著，但显著降低硫化氢产量，其中450℃木炭使硫化氢产量减少53%。研究表明，低温木炭因亲水性及表面官能团更多，促进硫化氢吸附或反应，而高温木炭表面疏水性增强导致吸附能力下降。系统优化表明，低温木炭（450℃）在LBR-AF耦合系统中可有效减少硫化氢，提升 biogas 质量至安全水平。

　　在当今社会，随着全球人口的持续增长，肉类生产需求不断上升，特别是鸡肉消费的快速增长，使得鸡粪成为一种数量庞大且具有环境挑战性的废弃物。鸡粪通常由垫料材料收集而成，主要来源于鸡舍中的排泄物，其处理方式和影响在农业和环境领域引起了广泛关注。传统的湿式厌氧消化技术由于需要大量水资源进行稀释，难以有效处理这种干燥且体积较大的鸡粪。因此，近年来，研究者们开始探索干式厌氧消化技术，其中一种新兴的系统是渗滤床反应器（LBR）。LBR通过循环渗滤液，为微生物提供适宜的环境，以促进鸡粪的分解和转化。此外，研究表明，生物炭在厌氧消化过程中可以起到积极的作用，特别是通过改善反应条件和促进微生物活性。

生物炭是由生物质经过热解反应形成的多孔性物质，其物理化学特性会受到热解温度的影响。在厌氧消化系统中，生物炭的应用方式和性能对于处理鸡粪具有重要意义。例如，某些研究指出，生物炭可以增强厌氧消化过程，提高甲烷产量并减少硫化氢（H?S）的排放。H?S是一种有毒且具有腐蚀性的气体，对厌氧消化系统的运行和设备寿命构成威胁。因此，如何有效减少H?S的生成，是提高厌氧消化效率和可持续性的重要环节。

在本研究中，科学家们重点考察了不同热解温度下木制生物炭对鸡粪在LBR系统中厌氧消化的影响。他们发现，生物炭的热解温度对甲烷产量和产率没有显著影响，但对H?S的生成有明显的影响。具体而言，当使用450°C生产的生物炭时，H?S的生成量相比600°C、750°C和900°C生产的生物炭分别减少了30%、36%和53%。这一发现表明，生物炭的某些特性，如有机表面官能团的存在和表面形成液膜的能力，可能比比表面积对H?S的去除更为重要。有机官能团能够提供吸附和化学反应的活性位点，而较低的热解温度可能使这些官能团更加丰富，从而增强了H?S的吸附和转化效率。

此外，生物炭的表面特性，如亲水性和疏水性，对H?S的去除也有重要影响。较低温度下生产的生物炭通常具有较高的亲水性，其表面含有丰富的有机官能团，这些官能团能够促进H?S的吸附和反应。而随着热解温度的升高，生物炭的表面逐渐变得疏水性更强，活性位点减少，这可能影响其对H?S的吸附能力。研究还指出，虽然生物炭的比表面积在一定程度上可以影响H?S的去除，但其作用可能不如表面官能团的存在和液膜的形成重要。这一结论对于未来生物炭在厌氧消化系统中的应用具有指导意义。

在实验设计方面，研究团队采用了多种方法来分析生物炭的物理和化学特性，包括热重分析（TGA）、元素分析（C、H、N等）、碱度和总挥发性脂肪酸（VFA）的测定、以及表面结构和官能团的分析。他们还通过扫描电子显微镜（SEM）观察了生物炭的表面结构和微生物附着情况，以进一步了解其对厌氧消化过程的影响。实验结果显示，不同热解温度下的生物炭在某些方面表现出显著差异，例如比表面积、孔隙结构和表面官能团含量。

在生物炭的应用方式上，研究团队在LBR系统中结合了一个填充生物炭的厌氧过滤器（AF）。实验数据表明，使用生物炭作为过滤介质可以有效减少H?S的生成，但对甲烷产量的影响并不显著。这可能意味着，生物炭主要通过吸附和转化H?S来改善厌氧消化系统的运行条件，而不是直接促进甲烷的生成。然而，生物炭在AF中的应用可以提高H?S的去除效率，从而提升整体系统的性能。

进一步的分析还发现，生物炭的热解温度对VFA的浓度和组成有一定影响。例如，在较低热解温度下生产的生物炭可以促进VFA的降解，提高AF中的甲烷产量。而在较高热解温度下，生物炭的VFA降解效率较低，这可能与其表面特性和孔隙结构的变化有关。这些结果表明，生物炭的热解温度是一个关键参数，可以影响其在厌氧消化系统中的表现。

值得注意的是，实验中使用的生物炭中，600°C的生物炭是经过回收利用的，这可能导致其某些特性发生变化，例如亲水性、碱度和表面官能团含量。这些变化可能影响其对H?S的去除效果，从而在实际应用中需要考虑生物炭的使用寿命和性能变化。研究团队还指出，虽然生物炭的热解温度对甲烷产量的影响较小，但在某些情况下，如生物炭直接接触鸡粪时，其对甲烷生成的影响可能更为显著。

此外，研究团队还探讨了生物炭在厌氧消化系统中的潜在机制。他们认为，生物炭可能通过吸附H?S、促进其转化为其他硫化物，或者改变反应体系的pH值来减少H?S的生成。其中，生物炭表面的有机官能团和亲水性被认为是关键因素，因为它们能够提供更多的活性位点，促进H?S的吸附和反应。然而，由于生物炭的热解温度对甲烷产量的影响不显著，研究团队认为，H?S的去除可能更多依赖于生物炭的表面特性，而非其比表面积。

从整体来看，这项研究为生物炭在厌氧消化系统中的应用提供了新的视角。它表明，虽然生物炭的热解温度对甲烷产量的影响有限，但对H?S的去除具有重要影响。因此，在设计和优化厌氧消化系统时，应优先考虑生物炭的表面官能团和亲水性等特性，以提高H?S的去除效率。同时，研究也提醒人们，在实际应用中，生物炭的使用寿命和性能稳定性需要进一步研究，以确保其在长期运行中的有效性。

此外，这项研究还为未来的生物炭应用提供了参考。例如，可以探索如何通过调整热解温度和工艺参数，优化生物炭的表面特性，使其在厌氧消化系统中发挥更好的作用。同时，研究也指出，生物炭的使用需要结合具体的系统设计和运行条件，以确保其效果的最大化。对于鸡粪这种具有挑战性的废弃物，生物炭的应用可能是一个可行的解决方案，但需要进一步的优化和验证。

总的来说，这项研究揭示了生物炭在厌氧消化系统中的作用机制，并为未来生物炭的开发和应用提供了理论依据。它不仅有助于解决鸡粪处理中的环境问题，还为厌氧消化技术的改进提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索生物炭的其他特性，如孔隙结构、表面化学和微生物附着情况，以更全面地理解其在厌氧消化中的作用，并开发出更高效、可持续的处理方案。