碳基材料對(duì)有機(jī)廢棄物厭氧消化的影響及作用機(jī)制研究進(jìn)展

羅景陽(yáng)，邵錢祺，王 鳳，方世玉，張 樂(lè)，黃文軒

（1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210098）

近年來(lái)，有機(jī)廢棄物（包括餐廚垃圾、剩余污泥和農(nóng)業(yè)殘留物等）的大量產(chǎn)生及其潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)逐漸引起廣泛關(guān)注。有機(jī)廢棄物往往含有大量的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、多糖等有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是一個(gè)巨大而廉價(jià)的資源和能源回收原料庫(kù)。厭氧消化一直是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的針對(duì)有機(jī)廢棄物處理最有效和經(jīng)濟(jì)的技術(shù)之一［1］，通過(guò)多種專性及兼性厭氧微生物代謝將有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)能源，實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物的資源化利用。

眾所周知，厭氧消化歸根結(jié)底是一個(gè)主要通過(guò)水解微生物、發(fā)酵菌以及甲烷菌等多菌群微生物協(xié)同作用完成的生化過(guò)程。功能微生物的豐度和活性（如關(guān)鍵基因和代謝酶等）在這個(gè)過(guò)程中起著決定性作用。然而，有機(jī)廢棄物中存在的大量有毒有害物質(zhì)以及消化過(guò)程中環(huán)境因子（如pH值、氧化還原電位（ORP）等）的急劇變化往往導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定或崩潰，大幅降低厭氧消化的效能。因此，通過(guò)預(yù)處理（如超聲、堿處理等）以及化學(xué)藥劑（如表面活性劑、強(qiáng)氧化劑等）添加等方式來(lái)提升厭氧消化產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷的效能［2-4］，但是由于存在高能耗和高物耗、復(fù)雜的操作條件以及潛在的環(huán)境危害（大量的化學(xué)藥劑）等缺陷，導(dǎo)致其難以在實(shí)際工程中大規(guī)模推廣應(yīng)用。如何尋求經(jīng)濟(jì)有效且環(huán)境友好的強(qiáng)化策略對(duì)有機(jī)廢棄物的厭氧消化處理意義重大。

碳基材料（如生物炭、活性炭等）的研究與應(yīng)用是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外熱點(diǎn)之一。由于碳基材料具有比表面積大、吸附能力強(qiáng)、環(huán)境友好以及原料來(lái)源廣泛等特點(diǎn)，因此在污染物的吸附和降解去除等方面表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。越來(lái)越多的研究表明，碳基材料在提升有機(jī)廢棄物的厭氧消化效能方面有著積極作用。例如，顆?；钚蕴靠筛纳畦F還原細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌之間的營(yíng)養(yǎng)代謝，提升13%的甲烷產(chǎn)率［5］。Duan等［6］發(fā)現(xiàn)生物炭添加可通過(guò)促進(jìn)厭氧消化系統(tǒng)中的蛋白酶、葡聚糖酶和脂肪酶的活性來(lái)強(qiáng)化有機(jī)底物的水解效率，進(jìn)而提高揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）的產(chǎn)量。此外，生物炭可取代菌毛和c型細(xì)胞色素在乙酰基和產(chǎn)甲烷菌之間轉(zhuǎn)移電子的作用，在發(fā)酵細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌之間建立起穩(wěn)固的電子轉(zhuǎn)移鏈［7］，富集優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌，促進(jìn)甲烷的生成［8］。

綜述了不同碳基材料與有機(jī)廢棄物厭氧消化產(chǎn)酸產(chǎn)甲烷等效能的相互作用關(guān)系，并從電子傳遞、有毒污染物抑制削減以及微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝活性等角度闡述了碳基材料影響厭氧消化效能的作用機(jī)制，最后對(duì)碳基材料應(yīng)用于有機(jī)廢棄物厭氧消化系統(tǒng)研究進(jìn)行了展望與總結(jié)。

1 碳基材料對(duì)有機(jī)廢棄物厭氧消化的影響

碳基材料在平衡微生物群落的結(jié)構(gòu)和活性、提高系統(tǒng)對(duì)有毒物質(zhì)的緩沖能力等方面具有積極作用，對(duì)不同類型有機(jī)廢棄物厭氧生物處理產(chǎn)生了不同程度的影響（見(jiàn)表1）。

生物炭是最為普遍用于有機(jī)廢棄物厭氧消化提升的碳基材料。王曉琳［9］通過(guò)水熱法制備的生物炭以1∶10的劑量添加到厭氧污泥系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)VFAs的產(chǎn)量可高達(dá)4 600 mg COD·L-1，是空白組的5.8倍。Duan等［6］制備的藻類生物炭不僅將VFAs產(chǎn)量提高了1倍，還縮短了發(fā)酵周期。類似地，將廢棄果木生物炭添加到厭氧污泥系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其能夠平衡微生物結(jié)構(gòu)，不僅縮短了產(chǎn)甲烷滯后期，還將最大甲烷產(chǎn)量提高了86.6%［10］。此外，生物炭的添加也可以有效改善氫氣的生產(chǎn)情況。例如，在以城市固體廢物為底物的厭氧消化反應(yīng)中添加生物炭后，氫氣累積產(chǎn)量從211.8 mL顯著增加到906.4 mL，并且氫氣的生產(chǎn)速率也有了較大的提高［11］。Sunyoto等［12］的研究表明，生物炭的加入可以將氫氣產(chǎn)率提高31.0%，最大產(chǎn)率提高32.5%，并將滯后期縮短36.0%?；钚蕴亢褪┮彩浅Ｒ?jiàn)的用于厭氧消化效能提升的碳基材料。Xu等［13］添加5 g·L-1活性炭到厭氧污泥中，將甲烷的產(chǎn)率提高了72%。Liu等［14］將石墨烯添加到以豬糞為底物的反應(yīng)器中，將甲烷產(chǎn)量提高了60.89%。值得注意的是，氧化石墨烯類碳基材料可能會(huì)降低水解效率，進(jìn)而導(dǎo)致甲烷產(chǎn)率的減少［15］。

此外，碳基材料還可與Fe等聯(lián)合使用以進(jìn)一步提高厭氧消化效能。Liu等［16］將活性炭與零價(jià)鐵聯(lián)合使用使得甲烷滯后期從4.77 d縮減到2.62 d。在Fe3O4和活性炭同時(shí)投加條件下，厭氧沼氣池中的甲烷產(chǎn)率相比單獨(dú)添加Fe3O4和活性炭分別提高了11.84%和6.10%［5］。Zhang等［17］將活性炭和微量元素添加劑聯(lián)合投加到餐廚垃圾中，與空白組相比甲烷產(chǎn)量提高了50%。這為利用碳基材料進(jìn)一步提升有機(jī)廢棄物的厭氧消化效能提供了新的方向和思路。

對(duì)于不同特性的消化底物，不同碳基材料對(duì)厭氧工藝的運(yùn)行效率將產(chǎn)生不同的影響。例如，活性炭對(duì)餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)甲烷的效能（提高34%）明顯高于對(duì)活性污泥系統(tǒng)的效能（提高20%）［5，18］。此外，碳基材料對(duì)有機(jī)廢棄物厭氧消化的促進(jìn)效果與其投加劑量、尺寸、制備材料以及目標(biāo)產(chǎn)物等因素密切相關(guān)（見(jiàn)表1）。Pan等［19］研究發(fā)現(xiàn)，果木生物炭誘導(dǎo)作用下甲烷產(chǎn)量相比空白組提高了69%，達(dá)到294 mL·g-1，但是雞糞生物炭的增強(qiáng)作用較小，僅提高了23%。部分研究表明，在厭氧發(fā)酵反應(yīng)器中投加納米碳粉可以促進(jìn)微電解系統(tǒng)形成，提高微生物活性以促進(jìn)可溶性有機(jī)底物的降解，進(jìn)而加速甲烷化過(guò)程［20］。然而，Lee等［21］認(rèn)為，球形活性炭相比碳納米管更易促進(jìn)廢水的產(chǎn)氫速率，這可能是因?yàn)榍蛐位钚蕴磕軌蛱峁└蟮谋缺砻娣e，增強(qiáng)了生物吸附和生物降解的協(xié)同作用，極大地改善了顆粒表面的基質(zhì)濃度，有效地增強(qiáng)了微生物的代謝能力。值得注意的是，石墨烯（或氧化石墨烯）等對(duì)厭氧消化有負(fù)面作用。Zhang等將氧化石墨烯添加到豬糞中進(jìn)行厭氧消化，發(fā)現(xiàn)投加石墨烯抑制了厭氧消化過(guò)程，導(dǎo)致甲烷產(chǎn)率降低了17.1%，這可能是因?yàn)槭┮鸺?xì)胞氧化應(yīng)激，導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂［15，22］。

表1 碳基材料對(duì)不同有機(jī)廢棄物厭氧消化效能的影響及作用機(jī)制Tab.1 Effects of carbonaceous materials on anaerobic digestion of organic wastes and underlying mechanisms

續(xù)表

2 碳基材料強(qiáng)化有機(jī)廢棄物厭氧消化的主要作用機(jī)制

2.1 優(yōu)化厭氧微生物的群落結(jié)構(gòu)

生物炭、活性炭等碳基材料大多具有表面積大、呈空隙結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，有利于微生物的附著，已被廣泛用于細(xì)胞固定和微生物的生長(zhǎng)［41］。在厭氧消化系統(tǒng)中，碳基材料多孔的存在可作為載體，為厭氧菌群（如Geobacter metallireducens和Methanosarcina barkeri等）提供生長(zhǎng)位置，有利于生物膜形成，使產(chǎn)乙酸細(xì)菌和產(chǎn)甲烷古菌等免受有毒污染物的影響［42］。此外，粗糙的表面可以保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)微生物免受攪拌等帶來(lái)的剪切力影響［43］，進(jìn)而有利于功能微生物的富集以及相關(guān)的代謝活性，最終提高厭氧消化速率等。

Lü等［27］通過(guò)生物炭在厭氧消化系統(tǒng)中富集了產(chǎn)甲烷毛發(fā)菌屬（Methanosaeta）和產(chǎn)甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina），提高了體系在高氨氮環(huán)境下的產(chǎn)甲烷效能。Peng等［5］通過(guò)添加顆?；钚蕴靠梢詫H4的收率提高13.1%，這是因?yàn)轭w?；钚蕴靠梢愿纳畦F還原細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌之間的營(yíng)養(yǎng)代謝。Lee等［44］研究發(fā)現(xiàn)，附著在活性炭表面的主要是Gordonia、Thauera和Geobacter，它們分別是放線菌屬、β變形桿菌屬和三角變形桿菌屬3組中的主要屬。Thauera在3 d的相對(duì)豐度占細(xì)菌總數(shù)的8.0%，Gordonia在20 d達(dá)到最高的18.8%，而Thauera和Geobacter在40 d的相對(duì)豐度分別達(dá)到32.8%和18.0%。這說(shuō)明了碳基材料的投加會(huì)逐步改變微生物的群落結(jié)構(gòu)，使得優(yōu)勢(shì)菌種富集，Methanosarcinaceae和Methanobacteriales的豐度和產(chǎn)甲烷菌密切相關(guān)。類似地，Methanosaetaceae被發(fā)現(xiàn)在生物炭上的相對(duì)豐度相較于混合液中提高了10倍，進(jìn)一步證明了碳基材料是一種選擇性富集產(chǎn)甲烷菌的合適載體材料。此外，活性炭的添加還能有效降低消化系統(tǒng)中病原體的總豐度，減少抗生素抗性基因等，從而降低消化殘?jiān)罄m(xù)處理的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)［45］。

上述研究結(jié)果表明，碳基材料不僅可以實(shí)現(xiàn)微生物的物理固定化，增加生物質(zhì)的保留時(shí)間，還能改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu)，促進(jìn)功能菌群的富集，進(jìn)而影響厭氧消化效能。

2.2 提升功能微生物的代謝活性

碳基材料往往負(fù)載著大量的微量元素，主要包括鐵（Fe）、錳（Mn）、鈣（Ca）、鉀（K）和鎂（Mg）等，可占到碳基材料總組分的1%～30%［46］。這些微量元素在微生物代謝過(guò)程的關(guān)鍵酶合成和活性表達(dá)中發(fā)揮著重要作用。因而，碳基材料可通過(guò)提供營(yíng)養(yǎng)元素來(lái)提高系統(tǒng)中微生物的代謝功能，促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和提高細(xì)胞活性，并加速它們的共代謝，進(jìn)而提升水解、酸化和甲烷化等過(guò)程。

水解過(guò)程一般被認(rèn)為是有機(jī)廢棄物厭氧消化處理的限速步驟。Ma等［47］發(fā)現(xiàn)，在厭氧消化初期，生物炭將促使消化系統(tǒng)中總碳、溶解有機(jī)碳和溶解無(wú)機(jī)碳的含量增加，顆粒有機(jī)物的水解量增加。部分學(xué)者認(rèn)為，添加生物炭可以有效地破壞消化系統(tǒng)中不可溶性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，從而增加大分子有機(jī)物進(jìn)一步水解的可能性［6］。近年來(lái)，大量研究表明，碳基材料促進(jìn)水解效率主要?dú)w因于對(duì)水解酶的激活，如蛋白酶、纖維素酶、α葡萄糖苷酶和淀粉酶。Yan等［48］發(fā)現(xiàn)，粉末活性炭（PAC）的加入可將體系中的蛋白酶活性提高20%，相似地，α葡萄糖苷酶的活性也顯著提高。生物炭對(duì)蛋白酶、葡聚糖酶和脂肪酶的活性提高同樣起著積極作用。Duan等［6］在考察生物炭對(duì)污泥厭氧發(fā)酵效能時(shí)發(fā)現(xiàn)，添加生物炭的反應(yīng)器中蛋白質(zhì)、多糖和脂肪的水解效率分別是不添加生物炭反應(yīng)器的1.4倍、1.2倍和1.4倍。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，相關(guān)代謝酶在生物炭反應(yīng)器中的活性分別提高了1.6倍、1.3倍和1.2倍［49］，最終導(dǎo)致體系中VFAs的產(chǎn)率和反應(yīng)速率都得到大幅提升。Lü等［50］發(fā)現(xiàn)，在高溫作用下，粉末生物炭可以通過(guò)提高功能細(xì)菌的豐度來(lái)提高水解酶活性，將甲烷產(chǎn)量提高了13.3%。

此外，碳基材料還可增強(qiáng)微生物功能基因的豐度，最終提高厭氧發(fā)酵效能。Pan等［49］通過(guò)對(duì)與水解酶相關(guān)功能基因的分析發(fā)現(xiàn)，在生物炭存在的情況下，與蛋白酶和葡聚糖酶的分泌和表達(dá)相關(guān)的基因數(shù)量更多。Qi等［51］通過(guò)宏基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，生物炭提高了與產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷等相關(guān)的關(guān)鍵功能基因豐度。例如，與產(chǎn)酸相關(guān)的乙酸激酶和磷酸轉(zhuǎn)乙酰基酶以及產(chǎn)甲烷過(guò)程中重要的輔酶F420等關(guān)鍵酶的相對(duì)活性分別提高了18.7%、6.3%和40.1%。

2.3 強(qiáng)化微生物之間的電子遷移

在厭氧消化系統(tǒng)中，互營(yíng)細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌之間的微生物種間電子傳遞（IET）在氧化有機(jī)物和二氧化碳還原為甲烷的過(guò)程中起著不可或缺的作用，其中直接種間電子轉(zhuǎn)移（DIET）是厭氧消化系統(tǒng)中IET的主要途徑。DIET是一種互營(yíng)代謝過(guò)程，相比種間氫氣轉(zhuǎn)移和種間甲酸轉(zhuǎn)移，DIET途徑不需要復(fù)雜的酶促反應(yīng)即可完成，具有更高的能量效率。研究表明，DIET的電子轉(zhuǎn)移速度是種間氫氣轉(zhuǎn)移的106倍［52］。

DIET作用形式主要分為2種：一種是利用生物成分（細(xì)胞色素、導(dǎo)電菌毛等）實(shí)現(xiàn)與細(xì)胞直接接觸，從而進(jìn)行細(xì)胞間的電子轉(zhuǎn)移；另一種是通過(guò)導(dǎo)電材料（碳基材料、鐵基材料等）介導(dǎo)，構(gòu)建非生物的導(dǎo)電通道，以減少細(xì)胞合成外導(dǎo)電菌毛和c型細(xì)胞色素的能量消耗［7］，從而加速共培養(yǎng)體系中微生物間的種間電子傳遞。目前，有關(guān)提升DIET的導(dǎo)電材料研究大多集中于鐵基材料（磁鐵礦、赤鐵礦等）和碳基材料（生物炭、活性炭等）。碳基材料因其具有較大的比表面積、較強(qiáng)的導(dǎo)電性能、原料易得、經(jīng)濟(jì)成本低等特點(diǎn)受到越來(lái)越多的關(guān)注，并被廣泛應(yīng)用于強(qiáng)化污泥厭氧消化過(guò)程中。

碳基材料的投加能夠顯著提高厭氧消化過(guò)程中甲烷的生成速率和產(chǎn)量。一方面，由于碳基材料本身?yè)碛辛己玫膶?dǎo)電性，促進(jìn)了微生物的直接電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，進(jìn)而縮短產(chǎn)甲烷滯后時(shí)間。Park等［53］的研究表明，在厭氧反應(yīng)器中投加碳導(dǎo)電材料，消化反應(yīng)的滯后時(shí)間減少了10%～70%，同時(shí)甲烷的產(chǎn)量提高了80%～300%，產(chǎn)甲烷速率也提升了100%～178%。Wang等［37］發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，投加生物炭的厭氧消化體系產(chǎn)甲烷滯后時(shí)間縮短了27.5%～64.4%，產(chǎn)甲烷速率提升了將近1倍。石墨烯等也被證實(shí)能夠通過(guò)刺激種間電子傳遞，提高生物CH4的產(chǎn)量和乙醇的生產(chǎn)速率［31］。由機(jī)理研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，通過(guò)取代導(dǎo)電菌毛和c型細(xì)胞色素在乙?；彤a(chǎn)甲烷菌之間轉(zhuǎn)移電子的作用，生物炭在發(fā)酵細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌之間建立起穩(wěn)固的電子轉(zhuǎn)移鏈（見(jiàn)圖1）［7］。在DIET的作用下，巴氏產(chǎn)甲烷八疊球菌和產(chǎn)甲烷八疊球菌等能夠有效接受其他物種的電子，成為優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌，促進(jìn)甲烷的生成［8］。另一方面，以生物炭為代表的碳基材料的表面含氧還原性官能團(tuán)（如羥基、羧基等），具有較好的電子供給能力（EDC）。生物炭通過(guò)反復(fù)供給、接受電子，使得反應(yīng)體系中微生物的可用電子數(shù)量大幅增加，進(jìn)而使互養(yǎng)微生物種間電子傳遞效率顯著提高［36］。此外，碳納米材料由于具有更大的比表面積和更好的電子傳導(dǎo)性，因此在增強(qiáng)外生電子細(xì)菌和產(chǎn)甲烷古菌之間的細(xì)胞外電子傳輸方面更具優(yōu)勢(shì)，更有效地促進(jìn)甲烷等的產(chǎn)生［54］。

圖1 生物炭在厭氧微生物中的DIET機(jī)制Fig.1 DIET mediated by carbon-based materials among anaerobic microorganisms

2.4 緩解有毒污染物的抑制作用

有機(jī)廢棄物中往往含有大量的有毒有害物質(zhì)（如重金屬、藥物和個(gè)人護(hù)理用品（PPCPs）等），同時(shí)在厭氧消化過(guò)程中將產(chǎn)生一些中間抑制劑（如硫化物和VFAs等），對(duì)厭氧消化效能和過(guò)程穩(wěn)定性都將產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。例如的積累會(huì)導(dǎo)致高濃度的游離氨產(chǎn)生，對(duì)產(chǎn)甲烷古菌產(chǎn)生毒害作用［55］。的質(zhì)量濃度從1.7 g·L-1增加到14 g·L-1時(shí)，會(huì)抑制50%的甲烷生產(chǎn)［56］。VFAs的快速積累也將導(dǎo)致pH值的降低，從而抑制產(chǎn)甲烷菌的活性。

碳基材料由于具有較強(qiáng)的吸附能力以及含有某些特征官能團(tuán)，因此能夠通過(guò)吸附和中和等途徑提高厭氧消化系統(tǒng)對(duì)有毒物質(zhì)的緩沖能力等（見(jiàn)圖2）。生物炭可以通過(guò)調(diào)節(jié)或VFAs的濃度來(lái)強(qiáng)化消化池的緩沖系統(tǒng)，維持厭氧微生物合適的C/N比［57］。研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可利用表面的陽(yáng)離子通過(guò)靜電交換降低氨的抑制，提高厭氧消化效能，同時(shí)促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌的繁殖［58］。Shen等［59］在研究分批和長(zhǎng)期連續(xù)投加生物炭對(duì)嗜熱厭氧消化體系中總濃度的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，添加生物炭可以使?jié)舛冉档?.6%和13.2%。此外，生物炭中的官能團(tuán)（如羧基、羥基）具有緩沖能力，使得消化過(guò)程中體系保持在合適的pH值，緩解過(guò)量VFAs的抑制作用，提高微生物活性［60］。Jang等［61］研究了20℃、35℃和55℃下牛糞中生物炭對(duì)牛糞厭氧消化的影響，發(fā)現(xiàn)在不同反應(yīng)條件下總VFAs濃度較低，而甲烷產(chǎn)量顯著增加。此外，厭氧消化系統(tǒng)中微量的H2S不僅對(duì)微生物活動(dòng)有害，還對(duì)輸送管道具有腐蝕性。利用碳基材料去除消化氣體中H2S的應(yīng)用較為廣泛。Wang等［62］發(fā)現(xiàn)，生物炭對(duì)氣態(tài)H2S和可溶性硫化物的去除率達(dá)到94%和98%，最大吸附量為160 mg·g-1，可有效緩解了H2S對(duì)微生物的毒性，提高了厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖2 碳基材料強(qiáng)化有機(jī)廢棄物厭氧消化效能的主要機(jī)制Fig.2 Main mechanisms for anaerobic digestion improvement of organic wastes by carbonbased materials

綜上，碳基材料可作為厭氧消化系統(tǒng)中一種潛在的“解毒劑”，有效緩解有毒有害污染物對(duì)微生物的抑制作用，最終提升厭氧消化效能。

2.5 協(xié)同作用機(jī)制

近年來(lái)，越來(lái)越多的研究表明，與單獨(dú)碳基材料投加方式相比，通過(guò)與其他材料（如鐵）的聯(lián)合使用可產(chǎn)生協(xié)同機(jī)制來(lái)進(jìn)一步強(qiáng)化有機(jī)廢棄物的厭氧消化效能。劉波等［68］的研究證實(shí)鐵碳聯(lián)合作用促進(jìn)了蛋白質(zhì)和多糖的水解，相較于對(duì)照組高出了17.7%。鐵碳聯(lián)合投加能使鐵、碳之間發(fā)生微電解，從而釋放出Fe2+。Fe2+是多種氧化還原酶的關(guān)鍵組成部分，因此它的析出能顯著改善酶活性。張磊等［69］的研究發(fā)現(xiàn)，鐵碳聯(lián)合使用能顯著改善乙酸激酶（AK）、磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶（PTA）、丁酸激酶（BK）和磷酸轉(zhuǎn)丁酰酶（PTB）等與厭氧發(fā)酵密切相關(guān)的酶活性，在鐵碳質(zhì)量比為1∶1時(shí)各種酶活性最高，提高了16.7%～60.0%，而在鐵碳質(zhì)量比為2∶1和5∶1時(shí)，酶活性分別提高了5.7%～40.0%和12.7%～60.0%。酶活性的提高促進(jìn)了酸的產(chǎn)生，進(jìn)而提高了甲烷的產(chǎn)量。鐵碳聯(lián)合還會(huì)促進(jìn)析氫作用，析氫速率對(duì)于產(chǎn)甲烷過(guò)程有一定的促進(jìn)作用。厭氧發(fā)酵體系中同步投加零價(jià)鐵和活性炭可促進(jìn)氫氣和甲烷產(chǎn)量，零價(jià)鐵通過(guò)析氫反應(yīng)促進(jìn)了氫營(yíng)養(yǎng)型甲烷菌的代謝活性［70］。同時(shí)，鐵碳聯(lián)合作用可以加速和同步微生物間的共營(yíng)養(yǎng)代謝。Peng等［5］利用磁鐵礦和活性炭的聯(lián)合投加促進(jìn)了鐵還原菌和產(chǎn)甲烷菌之間的共營(yíng)養(yǎng)代謝，使得甲烷產(chǎn)量增加了20%。

此外，碳基材料富含含氧的基團(tuán)，如醌、酯、酚羥基和羧基等，這些特定官能團(tuán)可提供有利的結(jié)合位點(diǎn)，活化過(guò)硫酸鹽等氧化劑，從而產(chǎn)生自由基以實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)污染物的降解［71］。例如，污泥衍生生物炭能有效強(qiáng)化過(guò)硫酸鹽對(duì)4-氯苯酚的降解效率，在100 min內(nèi)，4-氯苯酚的去除率達(dá)到92.3%［72］。生物炭催化過(guò)硫酸鹽使偶氮染料金橙Ⅱ（AO7）脫色效率達(dá)到99.5%，遠(yuǎn)大于單獨(dú)使用過(guò)硫酸鹽體系的脫色效率（65.5%）［73］。有機(jī)廢棄物的厭氧消化過(guò)程中，需要將大分子復(fù)雜有機(jī)底物轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)而被功能微生物進(jìn)一步利用，但是目前利用碳基材料活化過(guò)硫酸鹽等氧化劑來(lái)促進(jìn)有機(jī)底物的分解破壞進(jìn)而提升厭氧消化的研究仍較少，其作用效果及關(guān)鍵影響因素有待進(jìn)一步的研究。

3 結(jié)論與展望

針對(duì)有機(jī)廢棄物厭氧消化過(guò)程效率低、不穩(wěn)定等問(wèn)題，碳基材料可通過(guò)增強(qiáng)和平衡微生物群落的結(jié)構(gòu)和活性，加速厭氧微生物之間的電子傳遞，提高系統(tǒng)對(duì)有毒物質(zhì)的緩沖能力，同時(shí)提升微生物的濃度和代謝活性，有效加速物質(zhì)的分解，促進(jìn)水解、酸化和甲烷化等過(guò)程。此外，碳基材料還能與相關(guān)工藝進(jìn)行耦合協(xié)同來(lái)促進(jìn)厭氧消化效能，在有機(jī)廢棄物的處理處置上展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。雖然添加碳基材料將增加厭氧消化的操作成本，但是可加大甲烷、氫氣等資源的產(chǎn)量，有效彌補(bǔ)和解決成本增加的問(wèn)題。

由于碳基材料原料及制作工藝各異，其性質(zhì)也表現(xiàn)出顯著差異。此外，有機(jī)廢棄物的成分復(fù)雜，其對(duì)厭氧消化的抑制因素等也不同。因此，如何構(gòu)建針對(duì)不同有機(jī)廢棄物厭氧處理的性能優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)成本低廉的碳基材料，并實(shí)現(xiàn)制作工藝的標(biāo)準(zhǔn)化，降低實(shí)際運(yùn)營(yíng)成本，將極大影響碳基材料在厭氧處理領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與碳基材料兼容的強(qiáng)化耦合工藝，進(jìn)一步完善碳基材料的回收和再利用系統(tǒng)，從而提升有機(jī)廢棄物的消化效能和經(jīng)濟(jì)成本?；谔蓟牧辖閷?dǎo)厭氧消化過(guò)程中微生物群落演替規(guī)律、與微生物代謝相關(guān)的電子傳遞途徑和機(jī)制機(jī)理也有待進(jìn)一步的研究。通過(guò)對(duì)微生物代謝功能和代謝產(chǎn)物的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物產(chǎn)物的定向轉(zhuǎn)化，將進(jìn)一步提升有機(jī)廢棄物的利用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。