导电材料强化厌氧处理技术研究进展

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0757

摘要/Abstract

摘要：

厌氧处理技术是处理有机废物、生产清洁能源的有效技术，而传统厌氧技术存在挥发性脂肪酸（VFA）积累、甲烷产率低、微生物生长速度慢、反应器运行不稳定等问题，使得能源消耗和处理成本不断增加。近年来，碳基导电材料和铁基导电材料因具有比表面积大、导电性能良好、经济环保等优点，被广泛应用于废水厌氧处理领域。导电材料可促进共营养细菌和产甲烷古菌之间的直接种间电子转移（DIET），从而促进污染物高效降解并提升产甲烷效能。在讨论导电材料性质的基础上，从提高COD去除率、促进VFA消耗、促进产甲烷以及改善微生物群落角度，论述了导电材料对厌氧处理技术的强化作用，在厌氧处理过程中添加导电材料可以加速和稳定有机废物向甲烷的转化，并对未来的发展前景提出了一些建议，以期为先进导电材料的开发及其工程应用提供参考。

关键词: 厌氧处理, 导电材料, 直接种间电子传递

Abstract:

Anaerobic treatment technology is an effective technology for treating organic wastes and producing clean energy. However，the traditional anaerobic technology also has problems such as volatile fatty acids（VFA） accumulation，low methane yield，slow microbial growth and unstable reactor operation，which make the energy consumption and treatment cost increase continuously. In recent years，carbon-based and iron-based conductive materials have been widely used in the field of wastewater anaerobic treatment because of their large specific surface area，good conductivity，economic and environmental protection. Conductive materials can promote direct interspecific electron transfer（DIET） between syntrophic bacteria and methanogenic archaea，thus promoting efficient degradation of pollutants and improving methanogenic efficiency. On the basis of discussing the properties of conductive materials，the strengthening effect of conductive materials on anaerobic treatment technology was discussed from the perspective of improving COD removal rate，promoting VFA consumption，promoting methanogenesis and improving microbial community. The analysis showed that adding conductive materials in anaerobic treatment process could accelerate and stabilize the conversion of organic wastes to methane. In addition，some suggestions were put forward for the future development prospects，in order to provide reference for the development and engineering application of advanced conductive materials.

Key words: anaerobic treatment, conductive materials, direct interspecific electron transfer

中图分类号:

X703.1

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图/表 5

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80	CHENG Jun， LI Hui， DING Lingkan，et al. Improving hydrogen and methane co-generation in cascading dark fermentation and anaerobic digestion：The effect of magnetite nanoparticles on microbial electron transfer and syntrophism［J］. Chemical Engineering Journal，2020，397：125394. doi:10.1016/j.cej.2020.125394
81	CHEN Shengjie， TAO Ziletao， YAO Fubing，et al. Enhanced anaerobic co-digestion of waste activated sludge and food waste by sulfidated microscale zerovalent iron：Insights in direct interspecies electron transfer mechanism［J］. Bioresource Technology，2020，316：123901. doi:10.1016/j.biortech.2020.123901
82	YAN Wangwang， SUN Faqian， LIU Jianbo，et al. Enhanced anaerobic phenol degradation by conductive materials via EPS and microbial community alteration［J］. Chemical Engineering Journal，2018，352：1-9. doi:10.1016/j.cej.2018.06.187
83	CHEN Jiaqi， ZHANG Pengshuai， ZHANG Jingxin，et al. Micro-nano magnetite-loaded biochar enhances interspecies electron transfer and viability of functional microorganisms in anaerobic digestion［J］. ACS Sustainable Chemistry & Engineering，2022，10（8）：2811-2821. doi:10.1021/acssuschemeng.1c08288

导电材料	碳基材料	铁基材料
作用机制	1）多孔结构有利于生物膜的形成； 2）比表面积大，吸附能力强； 3）天然碱性官能团增强了缓冲能力； 4）促进DIET； 5）取代导电菌毛和C型细胞色素，促进DIET； 6）通过具有氧化还原活性的官能团，促进DIET； 7）富集电活性微生物	1）提供微生物生长的微量元素，增强酶活性； 2）富集铁还原微生物，通过异化铁还原，促进复杂有机物的分解； 3）促进DIET； 4）取代C型细胞色素，促进DIET； 5）诱导与DIET相关蛋白质的表达； 6）刺激EPS的分泌，强化DIET； 7）富集电活性微生物
优点	资源丰富且可持续、高孔隙率、大量官能团、高比表面积、吸附能力强	高导电性、易于表面修饰、磁性使其易于分离和回收
缺点	1）碳基纳米材料对厌氧微生物具有潜在毒害作用； 2）高剂量的碳基材料吸附大量COD物质，减少了甲烷转化的有效底物	1）铁基材料由于粒径小和强磁效应容易团聚，导致活性表面积减小，催化活性降低； 2）高剂量的铁基材料可能作为电子受体，与产甲烷菌竞争电子，从而抑制产甲烷
改进	进行预处理，提高热解温度或与其他处理相结合^〔16-17〕	将铁基材料分散并负载在多孔且生物相容的载体表面^〔18〕

导电材料	碳基材料	铁基材料
作用机制	1）多孔结构有利于生物膜的形成； 2）比表面积大，吸附能力强； 3）天然碱性官能团增强了缓冲能力； 4）促进DIET； 5）取代导电菌毛和C型细胞色素，促进DIET； 6）通过具有氧化还原活性的官能团，促进DIET； 7）富集电活性微生物	1）提供微生物生长的微量元素，增强酶活性； 2）富集铁还原微生物，通过异化铁还原，促进复杂有机物的分解； 3）促进DIET； 4）取代C型细胞色素，促进DIET； 5）诱导与DIET相关蛋白质的表达； 6）刺激EPS的分泌，强化DIET； 7）富集电活性微生物
优点	资源丰富且可持续、高孔隙率、大量官能团、高比表面积、吸附能力强	高导电性、易于表面修饰、磁性使其易于分离和回收
缺点	1）碳基纳米材料对厌氧微生物具有潜在毒害作用； 2）高剂量的碳基材料吸附大量COD物质，减少了甲烷转化的有效底物	1）铁基材料由于粒径小和强磁效应容易团聚，导致活性表面积减小，催化活性降低； 2）高剂量的铁基材料可能作为电子受体，与产甲烷菌竞争电子，从而抑制产甲烷
改进	进行预处理，提高热解温度或与其他处理相结合^〔16-17〕	将铁基材料分散并负载在多孔且生物相容的载体表面^〔18〕

导电材料	反应基质	粒径/µm	投加量	COD去除率	VFA积累量	甲烷产量	参考文献
生物炭	牛粪	106	1~10 g/L	实验组（1 g/L）：56.64%；实验组（5 g/L）：64.6%；实验组（10 g/L）：62.39%；空白对照组：47.52%	实验组（1 g/L）：124.89 mg/L；实验组（5 g/L）： 94.64 mg/L；实验组（10 g/L）：153.69 mg/L；空白对照组：214.66 mg/L	相较于空白对照组提高14.61%~26.88%	〔22〕
生物炭	餐厨垃圾	800	8 g/L	实验组：77%；空白对照组：47%		相较于空白对照组提高37%~47%	〔32〕
石墨烯	煤气化废水	1~2	0.5 g/L	实验组：64.7%；空白对照组：45.2%	实验组：1.37 mmol/L；空白对照组：1.74 mmol/L	实验组：180.5 mL/d；空白对照组：143.5 mL/d	〔33〕
GAC	乳品废水	800	2 g/L			相较于空白对照组提高125%	〔34〕
GAC	黑水	4 000~ 12 000	20 g	实验组：（84.4±0.1）%；空白对照组：（81.0±0.3）%		实验组：（2.6±0.5） L/（L·d）；空白对照组：（2.4±0.5） L/（L·d）	〔35〕
碳纳米管	丙酸钠废水	0.008~ 0.015		实验组：（90.9±1.7）%；空白对照组：（65.6±3.8）%		相较于空白对照组提高12.28%~62.91%	〔36〕
磁铁矿	高盐废水		100 g/L	实验组：（90.2±0.54）%；空白对照组：（73.1±1.9）%	实验组：（20.9±3.4） mmol/L 空白对照组：（61.7±2.0） mmol/L	实验组：（4 082±334） mL/d；空白对照组：（2 640±120） mL/d	〔37〕
磁铁矿	费托合成废水	150~250	0.4 g	实验组：（84.3±2.0）%；空白对照组：（62.2±1.9）%		实验组：（7.46±0.24） L；空白对照组：（5.02±0.20） L	〔4〕
磁铁矿	醋酸合成废水	0.04~0.06	0.2 g/L	实验组：86.1%；空白对照组：55%		实验组：1 350 mL/d；空白对照组：670 mL/d	〔38〕
磁铁矿	胰蛋白胨废水		10 g/L	实验组：89.0%；空白对照组：78.5%	相较于空白对照组降低39.7%	实验组：（70.8±7.6） mL/h；空白对照组：（36.6±2.5） mL/h	〔39〕
磁铁矿	硫酸盐废水	1.2±0.2		实验组：46.7%；空白对照组：36.0%		实验组：157 mL/d；空白对照组：48 mL/d	〔40〕
GAC-nZVI	啤酒厂废水	0.1	1 g/L	相较于空白对照组提高9.38%		实验组：122.16 mL；空白对照组106.89 mL	〔41〕
Fe-生物炭	高盐废水	500~1 000	4 g/L	实验组：53.4%；空白对照组：43.5%		相较于空白对照组提高30%	〔42〕
生物炭-Fe₃O₄	煤气化废水	0~0.02	5 g/L	实验组：98.9%；空白对照组：67.5%	醋酸盐浓度相较于空白对照组降低14.2%	相较于空白对照组提高25%	〔31〕
GAC-Fe₃O₄	染料废水	0.001 7~0.3	5.5 g/L	实验组：76.7%；空白对照组：36.4%		相较于空白对照组提高167.2%	〔18〕
Fe₃O₄-ZVI	废活性污泥		10 g/L	实验组：44.1%；空白对照组：28.2%	实验组：267.7 mg/L；空白对照组：696.1 mg/L	实验组：（1 076.7±13.3） mL；空白对照组：（721.5±15.0） mL	〔43〕

导电材料	反应基质	粒径/µm	投加量	COD去除率	VFA积累量	甲烷产量	参考文献
生物炭	牛粪	106	1~10 g/L	实验组（1 g/L）：56.64%；实验组（5 g/L）：64.6%；实验组（10 g/L）：62.39%；空白对照组：47.52%	实验组（1 g/L）：124.89 mg/L；实验组（5 g/L）： 94.64 mg/L；实验组（10 g/L）：153.69 mg/L；空白对照组：214.66 mg/L	相较于空白对照组提高14.61%~26.88%	〔22〕
生物炭	餐厨垃圾	800	8 g/L	实验组：77%；空白对照组：47%		相较于空白对照组提高37%~47%	〔32〕
石墨烯	煤气化废水	1~2	0.5 g/L	实验组：64.7%；空白对照组：45.2%	实验组：1.37 mmol/L；空白对照组：1.74 mmol/L	实验组：180.5 mL/d；空白对照组：143.5 mL/d	〔33〕
GAC	乳品废水	800	2 g/L			相较于空白对照组提高125%	〔34〕
GAC	黑水	4 000~ 12 000	20 g	实验组：（84.4±0.1）%；空白对照组：（81.0±0.3）%		实验组：（2.6±0.5） L/（L·d）；空白对照组：（2.4±0.5） L/（L·d）	〔35〕
碳纳米管	丙酸钠废水	0.008~ 0.015		实验组：（90.9±1.7）%；空白对照组：（65.6±3.8）%		相较于空白对照组提高12.28%~62.91%	〔36〕
磁铁矿	高盐废水		100 g/L	实验组：（90.2±0.54）%；空白对照组：（73.1±1.9）%	实验组：（20.9±3.4） mmol/L 空白对照组：（61.7±2.0） mmol/L	实验组：（4 082±334） mL/d；空白对照组：（2 640±120） mL/d	〔37〕
磁铁矿	费托合成废水	150~250	0.4 g	实验组：（84.3±2.0）%；空白对照组：（62.2±1.9）%		实验组：（7.46±0.24） L；空白对照组：（5.02±0.20） L	〔4〕
磁铁矿	醋酸合成废水	0.04~0.06	0.2 g/L	实验组：86.1%；空白对照组：55%		实验组：1 350 mL/d；空白对照组：670 mL/d	〔38〕
磁铁矿	胰蛋白胨废水		10 g/L	实验组：89.0%；空白对照组：78.5%	相较于空白对照组降低39.7%	实验组：（70.8±7.6） mL/h；空白对照组：（36.6±2.5） mL/h	〔39〕
磁铁矿	硫酸盐废水	1.2±0.2		实验组：46.7%；空白对照组：36.0%		实验组：157 mL/d；空白对照组：48 mL/d	〔40〕
GAC-nZVI	啤酒厂废水	0.1	1 g/L	相较于空白对照组提高9.38%		实验组：122.16 mL；空白对照组106.89 mL	〔41〕
Fe-生物炭	高盐废水	500~1 000	4 g/L	实验组：53.4%；空白对照组：43.5%		相较于空白对照组提高30%	〔42〕
生物炭-Fe₃O₄	煤气化废水	0~0.02	5 g/L	实验组：98.9%；空白对照组：67.5%	醋酸盐浓度相较于空白对照组降低14.2%	相较于空白对照组提高25%	〔31〕
GAC-Fe₃O₄	染料废水	0.001 7~0.3	5.5 g/L	实验组：76.7%；空白对照组：36.4%		相较于空白对照组提高167.2%	〔18〕
Fe₃O₄-ZVI	废活性污泥		10 g/L	实验组：44.1%；空白对照组：28.2%	实验组：267.7 mg/L；空白对照组：696.1 mg/L	实验组：（1 076.7±13.3） mL；空白对照组：（721.5±15.0） mL	〔43〕

导电材料	基质	优势细菌	产甲烷菌	参考文献
生物炭	餐厨垃圾	Firmicutes、Bacteroidetes、Proteobacteria、Chloroflexi	Methanobacterium、Methanothrix	〔16〕
生物炭	合成废水	Bacteroidetes、Firmicutes、Geobacter	Methanosaeta、Methanosarcina、Methanobacterium	〔71〕
生物炭	餐厨垃圾、废活性污泥	Firmicutes、Thermotogae	Methanosaeta、Methanospirillum、Methanosarcina	〔72〕
碳纳米管	醋酸盐	Firmicutes、Proteobacteria	Methanosaeta、Methanobacterium、Methanolinea	〔73〕
GAC	鸡粪	Firmicutes、Bacteroidetes	Methanosarcina、Methanobacterium、Methanotrix	〔47〕
GAC	乙酸、乙醇	Proteobacteria、Bacteroidetes、Chloroflexi、Firmicutes	Methanosarcina、Methanolinea、Methanosaeta、 Methanothermus	〔12〕
磁铁矿	固体废物	Chloroflexi、Firmicutes、Actinobacteria	Methanobacteriales、Methanosaeta、Methanosarcina	〔57〕
磁铁矿	稻草	Proteobacteria、Bacteroidetes、Firmicutes、Actinobacteria	Methanosarcina、Methanosaeta、Methanobacterium、Methanoregula	〔74〕
生物炭-GAC	苯酚	Syntrophorhabdus、Chloroflexi、Proteobacteria	Methanosaeta、Methanobacterium	〔7〕
生物炭-Fe₃O₄	煤气化废水	Firmicutes、Proteobacteria、Actinobacteria、Geobacter	Methanothrix、Methanobacterium、Methanolinea、 Methanosarcina	〔31〕
生物炭-nZVI	餐厨垃圾	Firmicutes、Bacteroidetes、Synergistetes、Actinobacteria	Methanosaeta、Methanosarcina、Methanoculleus	〔49〕
GAC-nZVI	四环素废水	Firmicutes、Bacteroidetes、Proteobacteria、Spirochaetes	Methanosaeta、Methanobacterium、Thermogymnomonas、Methanosarcina	〔45〕
Fe₃O₄-ZVI	废活性污泥	Firmicutes、Proteobacteria	Methanosphaerula、Methanobacterium、Methanothrix、Methanosarcina	〔43〕

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