通过微波和化学活化调控工程化生物炭以增强市政污水厌氧处理过程中的产甲烷作用

《Bioresource Technology Reports》：Tailoring engineered biochars via microwave and chemical activation for enhanced methanogenesis during anaerobic treatment of municipal sewage

　　

摘要

采用 L₉ 田口正交数组优化工程化生物炭（EB）的合成，旨在作为产甲烷促进剂，在市政污水厌氧处理过程中最大化甲烷（CH₄）产量。通过化学（CH）和微波（MW）活化方法对生物炭进行升级，增强其质地特性并丰富其表面化学性质。生成的 EB 样品首先在批次试验中进行筛选，并根据产甲烷活性选择最佳材料，以便在连续生物反应器运行中进行后续评估。最佳批次规模促进剂（用高锰酸钾改性并经微波处理的 EB，标记为 700-AMn_MW）使甲烷产量提高多达约 51%，改善了化学需氧量（COD）去除率，并与未改性对照组相比降低了铵（NH₄⁺）浓度。在市政污水连续处理过程中，CH 和 MW 改性生物反应器均取得了可比拟的改进：表现最好的 EB 改性生物反应器在水力停留时间（HRT）为 8 小时时，甲烷产生速率提高约 35%，在 HRT = 12 小时时提高约 279%，同时 COD 去除率提高多达 32%，NH₄⁺ 含量降低 14%。本研究提供了一套基于田口法的系统策略来优化 EB 合成，并展示了表面功能化和质地增强如何决定其在批次和连续厌氧处理条件下的性能。这是首次报道 EB 在甲烷产量、COD 和 NH₄⁺ 去除以及硫酸盐还原方面改善市政污水处理的效果。

引言

目前，全球废水产量估计约为每年 3800 亿升，预计到 2030 年和 2050 年分别将增加 24% 和 51%（Kumar 等，2024）。为应对这一挑战，必须改进废水处理技术以确保水资源的可用性和质量。在这些技术中，厌氧消化（AD）由于能够处理富含有机物的废水，同时产生可作为可再生能源利用的生物气，因此在该领域引起了广泛关注。将 AD 整合到污水处理厂（WWTPs）中可以减少能源消耗（高达 50%）和碳排放，最大限度地减少污泥产生（与好氧处理相比，废污泥减少多达 95%），并促进资源回收（氮和磷）（Conall Holohan 等，2025）。此外，AD 可以在环境温度下运行，尽管其化学需氧量（COD）浓度较低（180–565 mg COD/L），但能有效地处理稀释的市政污水，且具有高总悬浮固体（TSS）含量和惰性颗粒（100–250 mg TSS/L）（Cao 等，2019）。然而，全面实施还需要进一步开发，因为它面临诸如甲烷（CH₄）产量低、二氧化碳（CO₂）浓度高以及过程不稳定等挑战，更不用说大规模和商业问题，例如过程整合、水重复利用、低能耗需求、营养物去除、社会接受度等（Conall Holohan 等，2025; He 等，2020; Johnravindar 等，2021; Laiq Ur Rehman 等，2019; Zhao 等，2021）。

在此背景下，近期研究表明，将碳基材料应用于厌氧处理系统通常与微生物之间增强的共生相互作用相关，这通常归因于直接种间电子传递（DIET）机制（He 等，2020; Khalid 等，2021; van Lier 等，2023）。各种材料已被应用于厌氧系统以通过增强 DIET 来提高甲烷产量，包括氧化石墨烯、有机干凝胶、活性炭、磁铁矿和生物炭（Feng 等，2023; Murat?obano?lu 等，2021; Ramírez-Montoya 等，2024; Wang 等，2021; Yang 等，2021; Zhang 等，2019）。在循环经济框架下，通过热化学转化将木质纤维素残渣增值为生物炭代表了一种可持续策略，可同时减少农业废物处置并为环境应用生产增值材料。这种方法符合近期促进废物回收和增值以及可再生基材料的循环经济政策（Amabilis-Sosa 等，2025; 联邦官方公报，2026; Zheng 等，2023）。在这些增值产品中，EB 引起了越来越多的关注，因为其物理化学性质，如导电性、孔隙率和化学功能，可以调整以增强 AD 性能（Murat?obano?lu 等，2021; Zhang 等，2019; Zhao 等，2021）。

最近，利用物理、化学（CH）和机械活化方法进行的复杂生物炭改性技术已被探索，以改进工程化生物炭（EB）的物理化学性质，用于能源和环境领域（Awasthi, 2022）。特别是，将过渡金属纳米颗粒（如锰）掺入多孔碳基体中引入了有前途的电催化性能。这些金属位点不仅作为促进微生物生长和酶合成的必需微量营养素（Laiq Ur Rehman 等，2019），还创造了高导电性的氧化还原活性中心。因此，这些改性增强了所产生 EB 的电子交换容量、比表面积、吸附能力、疏水性和电催化活性（Cervantes and Ramírez-Montoya, 2022; Qin 等，2017; Zheng 等，2023）。这种 CH 调节对于 AD 具有战略意义，因为它直接优化了 DIET，在共生细菌和产甲烷古菌之间桥接了电气通信，同时提供了坚固的多孔结构，保护生物膜免受剪切应力（Feng 等，2023; Laiq Ur Rehman 等，2019; Rasapoor 等，2020）。此外，利用微波（MW）能进行生物炭的合成和改性可以显著改善其特性（Selvam and Paramasivan, 2022）。这种处理促进了碳层的剥离和基体内的微爆炸，显著增加了比表面积，创造了分级孔隙，并用含氧官能团丰富了表面（Foong 等，2024; Satpati 等，2024）。

鉴于生物炭改性的众多可能性，本研究的目标是结合 CH 改性和 MW 辅助处理，利用田口实验设计识别 EB 的稳健合成条件，并评估它们在市政污水处理过程中作为产甲烷增强剂的绩效。尽管 EB 在 AD 中的应用日益受到关注，但仍存在几个重要的知识空白（Chiappero 等，2020; Johnravindar 等，2022）。大多数以前的研究集中在评估单独的改性策略或批次规模试验上，而对合成变量的系统优化和在连续废水处理条件下的验证仍然稀缺（Foong 等，2024; Satpati 等，2024）。此外，大多数研究是在合成培养基和纯培养物中进行的，这不能反映真实场景（Guan 等，2027; Igarashi 等，2018; Bueno-López 等，2018）。本工作提供了一个系统框架，用于合成具有定制物理化学性质的 EB，并展示了材料水平的优化如何转化为不同操作条件下的反应器规模绩效，以及相关实际意义。

章节片段

工程化生物炭合成

用作生物炭前体的农业废弃物收集自墨西哥阿瓜斯卡连特斯地区的食品工业。所有木质纤维素前体此前均通过使用 IKA WERKE MF 10 刀片机进行粉碎以实现粒径均质化，然后使用 8/10 筛网（ASTM E 11-61）筛分，以获得约 2.2 毫米的粒径。对于龙舌兰叶渣，纤维被切成约 5 毫米长。所得颗粒在恒定条件下用去离子水清洗数次

批次研究

通过化学和微波工程方法利用田口法 L₉ 正交数组（表 1）获得的不同物理化学特性的生物炭样品，在市政污水厌氧处理的批次测试中作为产甲烷增强剂进行评估。如图 S1 所示，两种工程化生物炭（EB）家族的主要结果，一种通过化学活化获得（CH-EB），另一种在 CH-EB 后进行微波（MW）后处理（CH-EB + MW），

结论

化学和微波工程方法成功增强了生物炭性能，使其适用于市政污水处理中的产甲烷促进剂。本研究代表了首次报道微波处理用于生物炭升级作为厌氧增强剂。田口方法为筛选合成因素并在批次厌氧消化条件下选择表现最好的 EB 提供了有效框架，随后使其能够在

CRediT 作者贡献声明

Brandon Esquivel-Campos: 撰写 – 初稿，方法论，调查，正式分析，数据整理。Luis A. Ramírez-Montoya: 撰写 – 审阅 & 编辑，撰写 – 初稿，验证，监督，方法论，调查，正式分析，数据整理，概念化。Paola S. De Velasco-Maldonado: 验证，监督，方法论，调查。Virginia Hernández-Montoya: 验证，方法论，调查。Pablo T. Rodríguez-González: 验证，方法论，

资金

这项工作得到了 UNAM（拨款编号 DGAPA-PAPIIT IT100224，和 GII 3406）、Ministerio de Ciencia e Innovación（MCIN/AEI/10.13039/501100011033，项目 PID2023-147490OB-I00）以及 Principado de Asturias，SEKUENS/GRU-GIC-24-058 Ref: IDE/2024/000737 的财政支持。

未引用参考文献

Menéndez 等，1999

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为影响本论文中报告的工作。

致谢

BEC 感谢 SECIHTI 通过硕士奖学金计划编号 1315440 提供的支持。LARM 感谢 SECIHTI 的奖学金（CVU 330625）。作者感谢 UNAM（拨款编号 DGAPA-PAPIIT IT100224，和 GII 3406）、Ministerio de Ciencia e Innovación（MCIN/AEI/10.13039/501100011033，项目 PID2023-147490OB-I00）以及 Principado de Asturias，SEKUENS/GRU-GIC-24-058 Ref: IDE/2024/000737 提供的财政支持。JAM 和 MAMM 是

Brandon Esquivel-Campos|Luis A. Ramírez-Montoya|Paola S. De Velasco-Maldonado|Virginia Hernández-Montoya|Pablo T. Rodríguez-González|Miguel A. Montes-Morán|Raúl Llamas-Unzueta|J. Angel Menéndez|Andrea A. Acosta-Herrera|Francisco J. Cervantes

TecNM/Instituto Tecnológico de Aguascalientes, Av. A. López Mateos Ote. 1801, Bona Gens, 20256, Aguascalientes, Mexico