综述：生物炭在生物电化学系统中的应用：性能提升机制及人工智能在系统优化中的作用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Application of Biochar in Bioelectrochemical Systems: Performance Enhancement Mechanisms and Application of Artificial Intelligence in System Optimization

　　

摘要

在全球对废水处理需求不断增加的背景下，传统处理方法的特点是能耗高、效率低，且难以实现资源回收。生物电化学系统（BES）作为一种最有前景的技术出现，而电子转移效率是限制其性能的核心因素。生物炭具有高比表面积、丰富的孔结构以及良好的导电性，可用作高效的电子介质和功能载体来提升BES的性能。本文详细阐述了生物炭通过四种核心机制增强BES性能的作用，包括污染物吸附与富集、反应环境调节、电子转移增强以及污染物协同降解。此外，还深入讨论了大数据整合的具体内容，并探究了人工智能（AI）在生物炭与BES耦合系统中的应用途径。最后，分析了BES-生物炭系统在成本控制、二次污染、回收与再生、数据障碍及模型可解释性方面面临的实际挑战，并提出了相应的解决方案。本综述旨在阐明生物炭增强BES性能的微观机制，探索AI和大数据驱动的耦合路径，推动生物炭与BES技术的大规模应用。

引言

随着全球快速发展，废水处理已成为各国高度关注的问题。如图1(a)所示，全球每年产生的废水量约为359×10^9立方米[1]。然而，仅有不到60%的废水得到了处理。这无疑对实现可持续发展目标6（“清洁水与卫生设施”）构成了重大挑战。此外，废水处理目前面临多种废水类型、复杂性质以及处理效率与能耗平衡等问题[2]。因此，开发高效且低成本的废水处理技术一直是环境保护领域的热点话题。

近年来，生物电化学系统（BES）因其在废水处理和资源回收方面的巨大潜力而受到广泛关注[3]。传统的废水处理方法通常能耗较高，且无法回收废水中的化学能量[4]。环境问题与能源危机之间存在密切关联。BES具有整合废水处理与能源生产的潜力。典型的BES包括用于发电的微生物燃料电池（MFCs）[5]、用于制氢的微生物电解池（MECs）[6]、用于海水淡化的微生物脱盐池（MDCs）以及用于生产高价值化学品的微生物电合成系统（MESs）[8]（见图1(b)）[8]。系统内的电子转移效率是限制BES性能的关键因素[9]。同时，BES运行稳定性不足和处理效果不理想的问题也不容忽视，因此需要采取适当措施来解决这些问题并提高整体系统性能。

生物炭是一种通过在高温低氧条件下热解生物质制成的多孔碳材料[10]（见图1(c)）。其原料来源广泛，包括秸秆、废弃污泥、木材和稻壳[11]。由于生物炭能够长期储存碳，因此被视为应对气候变化的措施之一[12][13]。生物炭具备多孔结构、高比表面积（SSA）和高稳定性等特性，从而被应用于重金属吸附[14][15]、废水净化[16]以及作为催化剂载体[17]等领域。此外，生物炭具有导电性，可作为电子转移介质[18][19]，因此可用于增强各类反应中的电子转移过程[20][21]。生物炭对污染物的去除主要通过吸附实现。将BES与生物炭结合使用可促进微生物作用下污染物的降解，生物炭还可作为微生物载体来增强微生物过程[22]。鉴于生物炭的普遍性和多功能性，其在提升BES性能方面的应用在经济和技术上均为可行的。越来越多的研究将生物炭与BES结合（Biochar-BES），并取得了更好的系统性能[23][24]。

然而，需要系统地总结生物炭增强BES性能的微观机制。本文分析生物炭的性质，以揭示其作用原理，并列出增强这些性能的方法。综述分析了生物炭如何提升BES的废水处理和电子转移性能的机制，旨在解答生物炭如何改善BES性能的科学问题。数据驱动的人工智能（AI）在生物炭制备和BES运行优化中可发挥重要作用。我们明确了生物炭与BES相关大数据整合的类型和具体内容，提出了BES-生物炭系统的AI框架。最后，探讨了生物炭-BES系统在发展和应用过程中面临的一些挑战，并提出了相应的解决方案。希望本综述能够促进生物炭与BES在废水处理领域的应用，并为AI驱动的优化提供可复制的框架。

章节摘录

物理与化学性质

生物炭最重要的物理特性是其丰富的孔结构和高等教育比表面积（SSA）[25]（见图2(a)）[25]。孔径范围从纳米到微米不等，包括微孔（<2 nm）、中孔（2-50 nm）和 macropores（>50 nm）[26]。Macropores 通常有利于物质在生物炭内部的扩散，中孔可作为物质传输的通道，而微孔则提供储存空间[27]。生物炭表面的孔为物质提供了结合位点。

生物炭增强BES性能的机制

将生物炭与BES结合在技术上是可行的。如表1所示，许多研究已将生物炭与BES结合，证明生物炭能够提升BES的发电量和化学物质生成量，以及污染物去除效果。这些性能的改善主要归因于以下四种机制。

BES-生物炭系统的大数据整合

BES-生物炭研究涉及多源数据。传统的数据处理方法无法满足复杂分析的需求。大数据整合技术能够整合多维度数据，从而提高研究效率和准确性。这些数据通常包括实验数据（如生物炭制备实验、BES运行实验、污染物去除实验）、现场观测数据以及现有文献报告。

AI驱动的BES-生物炭系统优化

BES-生物炭系统的AI驱动优化依赖于大数据的整合。不同类型的多源异构数据被标准化并整合到一个统一且可共享的数据库中（见表2）。基于这一高质量的数据集，在明确优化目标后，可以选择相应的措施，最终优化BES-生物炭系统的性能。

挑战与展望

BES与生物炭的结合面临诸多挑战，如成本、二次污染、回收和再生[112]。通过高温热解制备生物炭的设备需要较大的投资和较高的能耗，从而导致成本上升。通过技术创新（如优化制备工艺）和大规模生产，成本可以逐步降低。在生物炭制备过程中，可能会产生挥发性有机化合物和焦油等副产品。

结论

生物炭凭借其多孔结构、高SSA、可调导电性和丰富的表面功能基团，能够显著提升BES的废水处理效率、发电/制氢性能及运行稳定性。其具体机制包括污染物吸附与富集、反应环境调节、电子转移增强以及污染物协同降解。它是强化BES的理想功能材料。

CRediT作者贡献声明

段亮：撰写 – 综述与编辑、初稿撰写、监督、方法论设计、研究实施、概念化。杨东民：资源获取、项目管理、研究实施、资金申请。高秋生：项目管理、方法论设计、研究实施、资金申请。宁欣：初稿撰写、可视化设计、研究实施、概念化。史月：初稿撰写、方法论设计、研究实施、概念化。李世龙：撰写 – 综述与

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的可能会影响本文研究的利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中央公共利益科学机构基本研究基金（项目编号2026YSKY-45）和中央公共利益科学机构基本研究基金（项目编号2026YSKY-46）的资助。

李世龙|史月|宁欣|高秋生|杨东民|段亮

中国环境科学研究院环境标准与风险评估国家重点实验室，北京100012