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　　近期使用活性炭作為促進(jìn)電活性微生物組以增強(qiáng)厭氧消化性能的添加劑已被廣泛研究。該研究發(fā)現(xiàn)摻雜磁鐵礦的活性炭顆?？梢燥@著改善丙酸鹽的互變性降解，丙酸鹽是在厭氧消化過(guò)程中不易被微生物群落降解的底物。用磁鐵礦摻雜的活性炭修正的生物反應(yīng)器在補(bǔ)料分批試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了高甲烷產(chǎn)量和COD去除率，分別是對(duì)照和活性炭處理的生物反應(yīng)器的1.5和1.2倍。發(fā)現(xiàn)乙酸鹽積累與甲烷產(chǎn)生相關(guān)。微生物群落的定量比較表明，與對(duì)照相比，添加活性炭或摻雜鐵的活性炭沒有獲得更高的微生物生物量。

　　厭氧消化是生物垃圾從垃圾填埋場(chǎng)轉(zhuǎn)移的一種流行的生物過(guò)程。沼氣池產(chǎn)生的沼氣可用于清潔能源和熱能生產(chǎn)，CO 2從生物氣體可用于藻類生產(chǎn)或增值化學(xué)物質(zhì)微生物電合成。從根本上說(shuō)，厭氧消化是一個(gè)復(fù)雜的生物過(guò)程，其中發(fā)酵細(xì)菌將復(fù)雜的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為各種簡(jiǎn)單的代謝物，如乙酸，H 2，甲酸和甲醇等有用的物質(zhì)。在厭氧消化器中添加各種導(dǎo)電添加劑，如活性炭，碳布，生物炭，碳纖維，鐵納米顆粒，可使微生物組直接交換電子而不是代謝物(如H 2/甲酸鹽)，最終增強(qiáng)各種短鏈脂肪酸的產(chǎn)甲烷轉(zhuǎn)化。因此，像活性炭這樣的導(dǎo)電添加劑可以為促進(jìn)飲食的微生物組提供能量有利條件。

　　在各種導(dǎo)電添加劑中，活性炭已被廣泛研究用于促進(jìn)產(chǎn)甲烷生物反應(yīng)器中的食物?；钚蕴拷?jīng)常被用作吸附劑，用于去除空氣和水中的各種污染物?；钚蕴窟€被用作各種微生物電化學(xué)系統(tǒng)中的電極材料，例如微生物燃料電池。一些研究表明，活性炭與其他功能化材料(如磁鐵礦和二氧化鈦)的表面改性可以進(jìn)一步提高活性炭在此類應(yīng)用中的有效性。有實(shí)驗(yàn)證明用用導(dǎo)電/半導(dǎo)電氧化鐵顆粒(如磁鐵礦，硫化亞鐵)對(duì)碳基陽(yáng)極電極進(jìn)行表面改性可以優(yōu)先刺激表面上電活性細(xì)菌生物質(zhì)的生長(zhǎng)和增強(qiáng)。降低電荷轉(zhuǎn)移電阻，最終可以改善微生物電化學(xué)系統(tǒng)的性能。因此，我們假設(shè)用磁鐵礦摻雜的活性炭可能提供更好的添加劑來(lái)促進(jìn)電活性生物質(zhì)的生長(zhǎng)，從而進(jìn)一步提高厭氧消化性能。下面我們直接制成樣品來(lái)測(cè)試效果。

　　丙酸生物降解實(shí)驗(yàn)

　　在該研究中使用九個(gè)玻璃厭氧生物反應(yīng)器，其配備有機(jī)械混合器和反應(yīng)器蓋以及氣體和液體取樣口。內(nèi)有22.5g/L活性炭和摻雜磁鐵礦活性炭的生物反應(yīng)器。沒有任何活性炭或其它添加劑的生物反應(yīng)器用作對(duì)照。對(duì)每種條件操作一式三份的生物反應(yīng)器。生物反應(yīng)器接種厭氧消化器污泥和來(lái)自實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的微生物電解池的混合物。

　　摻雜活性炭的物理化學(xué)性質(zhì)

　　活性炭和摻雜磁鐵礦的活性炭的SEM圖像在圖1顯示?；钚蕴亢蛽诫s的活性炭都表現(xiàn)出粗糙和多孔的表面。磁鐵礦顆粒緊密附著在活性炭顆粒的表面上(圖1B)。然而，磁鐵礦顆粒在活性炭表面上的分布不均勻(圖1D)。SEM-EDS的元素分析也證實(shí)了磁鐵礦摻雜的活性炭(16.8-27.4%)表面存在的鐵含量高于活性炭(0.76-1.48%)。EDS頻譜在補(bǔ)充信息中提供?；钚蕴亢蛽诫s的活性炭顆粒都含有痕量的其他元素，如鈣，鎂和鋁。另一方面，摻雜的活性炭顆粒的BET表面積減少了約12%，這是由于在活性炭表面上浸漬磁鐵礦顆粒。

　　圖1：(A)活性炭和(B)摻雜磁鐵礦的活性炭的SEM圖像(C)活性炭和(D)磁鐵礦摻雜活性炭的元素映射的SEM-EDS圖像。

　　丙酸鹽的甲烷產(chǎn)率

　　四個(gè)連續(xù)活性炭補(bǔ)料分批循環(huán)中來(lái)自不同生物反應(yīng)器的甲烷生產(chǎn)率在圖2A顯示，每個(gè)條件的累計(jì)甲烷產(chǎn)生的時(shí)間過(guò)程在補(bǔ)充信息中提供。與對(duì)照相比，活性炭和摻雜的活性炭的添加導(dǎo)致顯著更高的甲烷生產(chǎn)率。摻雜的活性炭顯示所有反應(yīng)器中的甲烷產(chǎn)量最高，分別是對(duì)照和活性炭生物反應(yīng)器的1.52倍和1.21倍。另一方面，活性炭在連續(xù)四次補(bǔ)料循環(huán)期間顯示出比對(duì)照中高25%的甲烷產(chǎn)量。在連續(xù)四個(gè)循環(huán)中，摻雜活性炭的最終甲烷產(chǎn)量沒有顯著差異，而在每個(gè)補(bǔ)料循環(huán)后，來(lái)自對(duì)照和活性炭的甲烷產(chǎn)生逐漸減少。

　　圖2：(A)四個(gè)連續(xù)活性炭補(bǔ)料分批循環(huán)中的平均特定甲烷產(chǎn)量和(B)COD去除效率。

　　如圖2B所示，摻雜的活性炭還顯示出比對(duì)照和活性炭分別高50%和20%的COD去除效率。然而，活性炭還提供了比對(duì)照高30%的COD去除效率。類似于甲烷生產(chǎn)，摻雜的活性炭COD去除效率在所有循環(huán)期間保持幾乎恒定。此外，活性炭和對(duì)照中的COD去除效率從第1周期降至4。盡管如此，基于甲烷生產(chǎn)率和COD去除效率，可以建立以下排名：摻雜磁鐵礦的活性炭>活性炭>未添加任何物質(zhì)的對(duì)照。

　　該研究證明，用磁鐵礦摻雜活性炭可以進(jìn)一步改善丙酸鹽作為唯一底物的產(chǎn)甲烷作用。與未摻雜的活性炭相比，磁鐵礦摻雜的活性炭顯著增強(qiáng)了丙酸鹽的降解。我們的研究結(jié)果表明，生物質(zhì)保留不是活性炭或摻雜活性炭反應(yīng)器中甲烷生產(chǎn)率提高的原因。發(fā)現(xiàn)各種電活性細(xì)菌的富集是增強(qiáng)產(chǎn)甲烷作用的關(guān)鍵因素。因此，我們的結(jié)果表明，活性炭可以幫助塑造具有電活性的高效產(chǎn)甲烷微生物組，用于高效厭氧消化。