活性炭對生產(chǎn)甲烷的作用，活性炭可以促進(jìn)有機廢物產(chǎn)生甲烷，這個已經(jīng)有很多人研究證實過了。在本研究中，將不同的活性炭劑量0,0.5，5和25g/L添加到厭氧消化器中，并且分別表征乙酸鹽，丙酸鹽和丁酸鹽的產(chǎn)甲烷降解動力學(xué)。在5g/L的高有機負(fù)荷下，丙酸和丁酸的降解率在不同的活性炭劑量下增加1.5-4.7倍和2.5-7.0倍。甲烷生產(chǎn)率當(dāng)丙酸和丁酸的添加量增加到5g/L時顯著升高。然而，對于1g/L或5g/L的乙酸鹽降解，僅發(fā)現(xiàn)少量增加。活性炭促進(jìn)丙酸鹽和丁酸鹽的協(xié)同降解的促進(jìn)機制可以主要歸因于對乙酸生成的觸發(fā)作用，正如互變細(xì)菌富集證明了這一點。

　　通過厭氧消化生物甲烷生產(chǎn)是利用全球生物能源最成功的策略之一。一般來說，厭氧甲烷生成是由幾組參與水解，酸化，乙酰化和甲烷生成過程的微生物進(jìn)行的。發(fā)酵細(xì)菌和產(chǎn)乙酸菌從復(fù)雜大分子的降解中產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸和其他中間體，如乳酸，乙醇和丁醇等。生產(chǎn)甲烷菌利用簡單的有機基板，諸如乙酸鹽，CO 2/H 2，甲醇，和甲酸，以產(chǎn)生甲烷。

　　目前有相當(dāng)多的研究旨在通過補充導(dǎo)電性鐵氧化物如磁鐵礦和Fe0或?qū)щ娞疾牧先缁钚蕴浚�生物炭，碳布和石墨等。在具有�?dǎo)電材料的反應(yīng)器中刺激的甲烷生產(chǎn)可歸因于促進(jìn)直接種間電子轉(zhuǎn)移。一個潛在的原因是非生物導(dǎo)電材料的可用性可以節(jié)約細(xì)胞能量，因為它們不需要產(chǎn)生廣泛的細(xì)胞外生物電連接，例如導(dǎo)電菌毛和c型細(xì)胞色素。活性炭還可以提供高比表面積用于有效地固定互生微生物，活性炭與微生物產(chǎn)生不同的結(jié)果可能歸因于不同的接種物或不同屬性的活性炭，例如單一/混合揮發(fā)性脂肪酸，乙醇或復(fù)雜有機物質(zhì)。因此，需要進(jìn)一步的測試以了解用活性炭材料消化器中的丙酸鹽和丁酸鹽的共生社區(qū)。

　　圖1。活性炭對生產(chǎn)甲烷的作用了解。

　　基于上述原理，本研究分別在補充了一系列活性炭劑量(即0.5-25g/L)的甲烷消化器中研究乙酸鹽，丙酸鹽和丁酸鹽的降解動力學(xué)。同時，比較兩種不同的底物有機負(fù)荷，即1g/L和5g/L。利用一級動力學(xué)和修正對揮發(fā)性脂肪酸的降解率和產(chǎn)甲烷率進(jìn)行了評價。高通量技術(shù)被用于檢測微生物群落結(jié)構(gòu)，并且由于活性炭添加而引起的互變性降解細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌的交替。

　　在實驗過程中，將測定的富集污泥體積放入500mL含400mL消化液的瓶中，使總揮發(fā)性懸浮固體(TVSS)的最終濃度為1g/L。將20-40目不同劑量的活性炭分別補充至瓶內(nèi)，分別為0,0.5,5和25g/L，記錄為活性炭0，活性炭0.5，活性炭5和活性炭25。其表觀密度和比表面積分別為430±30g/L和875-1185m2/g。隨后，醋酸鹽，丙酸鹽和丁酸鹽轉(zhuǎn)化為甲烷的轉(zhuǎn)化率在1g/L和5g/L濃度的批次研究中評估具體富集的培養(yǎng)物。在兩批預(yù)培養(yǎng)后收集數(shù)據(jù)，并且每個測試進(jìn)行三次。用培養(yǎng)箱振蕩器將反應(yīng)器溫度保持在35±2℃。

　　活性炭與VFAs降解和高強度甲烷生成

　　圖2。使用不同劑量的活性炭降解5g/L VFA(a-c)和相應(yīng)的甲烷生產(chǎn)(eh)。

　　活性炭初始濃度為5g/L時，乙酸馴化培養(yǎng)仍然表現(xiàn)出較高的代謝活性，補充活性炭幾乎不影響甲烷生產(chǎn)率。最終得到甲烷由醋酸約為0.45 mmol-CH4/mmol-Cadded，這是接近在乙酸(例如，1克/升)的低強度而得到的值。但當(dāng)?shù)孜餄舛葟?g/L增加到5g/L時，丙酸和丁酸的產(chǎn)甲烷轉(zhuǎn)化率明顯受到抑制。丙酸和丁酸酯反應(yīng)器的滯后相時間為活性炭0的4.2天和12.7天。這與先前的研究一樣，甲烷生成易受高濃度VFA影響，主要歸因于未解離的VFA對甲烷菌的生長和代謝的抑制。盡管如此，在本研究中加入活性炭顯著加速了丙酸和丁酸的代謝。如圖2所示，當(dāng)活性炭濃度從0.5g/L增加到25g/L時，丙酸鹽進(jìn)料反應(yīng)器的滯后相期從3.4d減少到0.9d，丁酸進(jìn)料反應(yīng)器的滯后期從12.7d減少到7.8d。

　　計算每種VFA物種的降解動力學(xué)(k)并呈現(xiàn)在表1中。基本上，R2高，特別是在低活性炭劑量時，僅HBu(5.0g/L)的R2低于其他。其原因可能是由于抑制作用，導(dǎo)致S形功能的偏離。以5g/L的丙酸鹽作為底物時，消化器中的k值增加約1.5倍，即當(dāng)活性炭劑量從0增加到25g/L時，從0.0022增加到0.0056h-1。對丁酸酯降解的刺激作用更顯著，其動力學(xué)值增加7.1倍，即從0.0043至0.0306h-1當(dāng)活性炭劑量從0增加到25g/L時。上述結(jié)果清楚地表明補充活性炭可以劑量依賴性的方式促進(jìn)丙酸和丁酸的甲烷生成。值得注意的是，雖然丙酸和丁酸的降解速度通過補充活性炭而顯著增加，但它們的速率仍低于乙酸鹽的速率，范圍為0.0386-0.0431 h-1。這些結(jié)果進(jìn)一步證實了丙酸和丁酸轉(zhuǎn)化的困難，以及進(jìn)一步探索促進(jìn)機制的重要性。

　　這項研究表明，活性炭的作用在重有機負(fù)荷下，補充適當(dāng)?shù)幕钚蕴縿┝靠梢约铀俦�酸鹽和丁酸鹽的共生降解。具體而言，丙酸和丁酸的降解率在5克/L活性炭的環(huán)境中大幅增加了1.5和4.2倍，與對照相比(活性炭0)，然而較小的增量被發(fā)現(xiàn)時進(jìn)一步增加活性炭劑量至25g/L。因此，推薦將較低劑量的活性炭用于厭氧消化器，并且該方法用于改善消化器性能的經(jīng)濟性將是有利的。活性炭有益于富集互養(yǎng)性氧化細(xì)菌，但需要一段時間的培養(yǎng)，因此建議將活性炭保留在連續(xù)進(jìn)料消化器內(nèi)。

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