生物炭投加量对屠宰废水厌氧消化过程中沼气产率影响的研究

《Case Studies in Chemical and Environmental Engineering》：Evaluating the effect of biochar dosage on biogas production during the anaerobic digestion of biochar-infused abattoir effluent

　　

该研究评估了生物炭（biochar）投加量对屠宰废水厌氧消化（AD）过程中沼气与甲烷（CH4）生成及有机物去除的影响。批次样品以牛粪为接种物，生物炭投加量设为0–70 g L-1，以屠宰废水补至800 mL。实验采用自动甲烷潜力系统（AMPTS III）监测40天。生物炭显著影响产气，2 g L-1投加量获得最高累积沼气3864.9 ± 158.9 mL，高于对照（2701.0 ± 53.9 mL）；对应累积CH4为2371.9 ± 59.0 mL，较对照提高30%。过量投加（30和70 g L-1）产气下降，分别为2703 ± 55.4 mL和2611.3 ± 41.6 mL。CH4含量介于61%–69%。可溶性化学需氧量（sCOD）去除趋势与产气一致，2、4、8、30、70 g L-1组消化液sCOD为1.12 ± 0.03–2.62 ± 0.30 g L-1，最高去除率达73.14 ± 1.05%。结果表明低–中等投加（2–8 g L-1）可提升能源回收与有机物去除，过量投加（≥30 g L-1）因吸附/包埋或水力效应限制底物可及性而降低性能。

研究背景与立项依据

屠宰废水（abattoir effluent）因含高浓度化学需氧量（COD）、蛋白质、脂质与油脂（FOG）而具备高沼气潜力，但蛋白水解释放游离氨（NH₃）、脂质水解积累长链脂肪酸（LCFAs）与挥发性脂肪酸（VFAs），抑制产甲烷并引发pH波动与失稳。厌氧消化（AD）虽能耦合废水处理与可再生能源回收，但在高蛋白高脂基质中常面临抑制环境。生物炭（biochar）因其多孔性、碱性灰分与表面官能团，可吸附NH₃/LCFAs、缓冲pH、提供微生物附着位点并可能介导种间电子传递（DIET），然而生物炭投加量对屠宰废水AD的影响缺乏系统剂量–效应数据，且最优剂量高度依赖基质与生物炭性质。研究人员据此开展批次实验，明确生物炭剂量对沼气、CH₄产率、CH₄纯度、sCOD去除及动力学的影响，为屠宰废水AD的投加策略提供依据。该文发表于《Case Studies in Chemical and Environmental Engineering》。

主要技术方法概述

研究人员在南非豪登省Roodeplaat红肉屠宰场地下集水池采集废水，以牛粪湿重80 g为接种物，设生物炭0、2、4、8、30、70 g L^-1六个剂量，每剂量三重复，工作体积800 mL，35℃中温批次消化40天。生物炭购自MyAquaponics Pty Ltd，经FTIR、SEM-EDS、XRD与pH测定表征。产气由自动甲烷潜力测试系统（AMPTS III）记录，CO₂经3 mol L^-1 NaOH吸收后测CH₄体积；基质与消化液测pH、sCOD、NH₃、NO₃^-、可萃取FOG；动力学采用一级、二级与修正Gompertz（Modified Gompertz）模型拟合，以R²、RMSE、MAE选型。

研究结果

3.1 生物炭表征：FTIR显示芳香碳C=C与含氧官能团（O–H、C=O、C–O）共存；EDS表明基质约90 wt% C、8.6 wt% O及少量Ca/K/Mg/Na/Cu/Cd；SEM呈层状薄片聚合体；XRD证实以无定形碳为主、石墨有序度低；水提pH 9.51±0.07，具碱性缓冲潜力。

3.2 废水与消化液表征：投生物炭使初始pH由6.74升至7.08–7.61，消化液pH收窄至7.29–7.50（对照7.87），2–8 g L^-1漂移最小。sCOD去除随剂量非线性变化，2 g L^-1最佳（去除73.14%，残1.12 g L^-1），30/70 g L^-1低于对照。NH₃由65.33 mg L^-1降至21.23–28.27 mg L^-1，2 g L^-1残留最低（21.23 mg L^-1，降67.5%）；NO₃^-全程未检出；可萃取FOG由109.3 mg L^-1降至6.1–17.2 mg L^-1，2 g L^-1去94.4%。

3.3 沼气与CH₄产率：40天累积沼气与CH₄在2 g L^-1达峰（3864.9 mL、2371.9 mL），较对照升43.1%与30.5%；8 g L^-1 CH₄占比最高（69.1%）；4 g L^-1 t₅₀最短；30 g L^-1持平对照，70 g L^-1略降。修正Gompertz拟合优度最高（R² 0.9971–0.9990），2 g L^-1滞后λ降至3.14天、最大日产率96.26 mL d^-1。

3.4 动力学建模：一级速率常数k₁在2–8 g L^-1升至0.01795–0.02546 d^-1（CH₄）与0.02314–0.02870 d^-1（沼气），30/70 g L^-1回落；修正Gompertz之B_max（CH₄）在2 g L^-1为2486.24 mL，λ随低剂量缩短，高剂量延长，证实过量生物炭致速率衰减与滞后恢复。

3.5 局限与建议：批次单接种单生物炭、未测VFAs/碱度/微生物群落、消化液sCOD仍>1 g L^-1难达直排标准；建议连续流验证、机制监测与“生物炭AD+好氧抛光/湿地/膜”组合工艺，并按VS或COD归一化剂量评价复用成本。

讨论与结论翻译

讨论指出，低–中等生物炭通过吸附抑制物、缓冲pH、促微生物附着与可能的DIET提升AD，但过量投加因非选择性吸附包埋底物、占用工作体积与水力限制而回跌；2 g L^-1最大化CH₄体积，8 g L^-1优化CH₄纯度，4 g L^-1加速动力学，证明最优剂量取决于目标是产量、品质或速率。结论：40天批次AD中生物炭呈非线性剂量响应，2 g L^-1获最高累积沼气（3864.9 ± 158.9 mL）、CH₄（2371.9 ± 59.0 mL）、sCOD去除（73.14 ± 1.05%）与FOG去除（94.4 ± 0.2%），8 g L^-1 CH₄占比最高（69.1 ± 6.2%）；30–70 g L^-1无益或抑制作效，修正Gompertz最宜描述其滞后与最大产率动力学。