氮摻雜蘆薈碳和磁場對厭氧共發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)甲烷的協(xié)同作用

收稿日期：2022-03-08

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2018YFB1502900）；陜西省國際科技合作項目重點計劃（2019KWZ-03）；陜西省重點科技創(chuàng)新團隊（2022TD-34）

通信作者：云斯寧（1974—），男，博士、二級教授，主要從事可再生能源的清潔利用等方面的研究。yunsining@xauat.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0280 文章編號：0254-0096（2023）06-0532-09

摘 要：采用氮摻雜蘆薈碳（N-C）作為厭氧共發(fā)酵的添加劑，研究其和磁場的協(xié)同作用對厭氧共發(fā)酵系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)量、總化學(xué)需氧量（TCOD）去除率、pH值、總固體（TS）和揮發(fā)性固體（VS）去除率的影響。結(jié)果表明：與對照組CK相比，添加N-C可使發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)氣高峰提前、沼氣產(chǎn)量增加。給發(fā)酵系統(tǒng)施加5 mT的磁場，添加N-C可進一步提升共發(fā)酵系統(tǒng)性能。N-C添加劑和磁場協(xié)同作用可使產(chǎn)沼氣高峰比CK組提前2～3 d，累計沼氣產(chǎn)量提高48.4%～101.6%。質(zhì)量分數(shù)為0.30% N-C的添加量使發(fā)酵系統(tǒng)獲得最高的沼氣產(chǎn)量（537.6 mL/g VS）、最高的甲烷含量（59.3%）和甲烷產(chǎn)量（318.8 mL/g VS）、最高的TCOD去除率（79.02%）、最高的TS去除率（44.1%）和VS去除率（55.7%）。最后，解釋N-C作為添加劑和磁場在增強厭氧共發(fā)酵甲烷產(chǎn)量的協(xié)同作用。

關(guān)鍵詞：磁場；厭氧發(fā)酵；甲烷；沼氣；氮摻雜蘆薈碳；表面官能團

中圖分類號：TK6""""""""""""""" """" """"""""""文獻標志碼：A

0 引 言

近年來，農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、餐飲業(yè)等行業(yè)的快速發(fā)展產(chǎn)生了很多廢棄物，例如樹皮、果殼、牛糞、養(yǎng)殖廢水、食物垃圾等，造成了嚴峻的環(huán)境污染和生態(tài)問題［1］。厭氧發(fā)酵（anaerobic digestion， AD）作為一種處理廢棄物的有效手段，可變廢為寶，將廢棄物通過消化處理變成清潔能源，如沼氣［2］。研究表明，通過將牛糞和其他生物質(zhì)廢棄物（例如廢棄蔬菜［3］、食物殘渣［4］、蘆薈皮［5］、秸稈［6］等）共發(fā)酵［7］，可使整個發(fā)酵系統(tǒng)獲得適宜的C/N比，增強發(fā)酵系統(tǒng)的緩沖能力，平衡微生物所需的營養(yǎng)。盡管厭氧共發(fā)酵具有很大的技術(shù)優(yōu)勢，然而對于提高厭氧共發(fā)酵對底物的利用率，改善發(fā)酵系統(tǒng)的整體工作性能，仍需進一步研究。

近年來，磁場在廢水處理、厭氧氨氧化、發(fā)酵產(chǎn)氫、產(chǎn)乙醇等系統(tǒng)中受到越來越多的重視。牛川等［8］發(fā)現(xiàn)20～40 mT的磁場強度可促進微生物的富集，提高寒冷環(huán)境下活性污泥微生物的活性。D?bowski等［9］發(fā)現(xiàn)在恒定磁場（0.6 T）下發(fā)酵裝置暴露時間越長，藻類生物厭氧發(fā)酵底物降解效果越差，這說明過強的磁場，對厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷有抑制作用。?ebkowska等［10］的研究表明，7 mT磁場促進了細菌的生長，提高了工業(yè)廢水中甲醛的去除率。以上結(jié)果均表明，向厭氧發(fā)酵系統(tǒng)施加適宜強度的磁場，可促進微生物的富集，提高污泥中微生物的活性，促進有機物的生物降解。

進一步研究表明，在厭氧發(fā)酵體系中，引入外源添加劑可改善發(fā)酵系統(tǒng)的環(huán)境，進而提高甲烷產(chǎn)量。此外，有研究表明：生物基碳可促進微生物之間的種間電子轉(zhuǎn)移，從而提高厭氧發(fā)酵的甲烷產(chǎn)率［11］。例如，王子奇等［7］使用蘆薈衍生碳以及橡子殼衍生碳作為厭氧共發(fā)酵的添加劑，通過促進微生物之間的直接種間電子轉(zhuǎn)移，顯著增加了甲烷產(chǎn)量。為進一步提升生物碳的性能，很多學(xué)者提出對生物碳進行改性處理。雜原子摻雜作為最常用的化學(xué)改性方法，目前已被廣泛應(yīng)用于對碳材料的表面改性。郭莎莎等［12］以豆?jié){為碳前驅(qū)體，氯化鈉為模板，制備具有互連骨架的氮摻雜生物質(zhì)基超薄碳納米片，將其應(yīng)用于鋰離子電池的負極。氮摻雜后的碳納米片具有高的導(dǎo)電性，互聯(lián)的骨架結(jié)構(gòu)有利于離子的傳輸，且吡啶氮的引入提升了碳納米片的吸附能力。李瑞梓等［13］以柚子皮為碳源對其進行堿活化和尿素誘導(dǎo)，合成了氮摻雜多孔碳，N的引入促使N-C鍵的形成、晶格間距的擴大和孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，從而導(dǎo)致表面吸附位點和層間活性位點的增加，以及電化學(xué)動力學(xué)的增強。李冰潔等［14］以蘆薈皮為碳源制備雙雜原子摻雜生物基碳，雙雜原子的摻入提升了生物碳的電子交換能力和吸附能力。上述結(jié)果表明雜原子摻雜生物碳可提升碳材料的電子轉(zhuǎn)移能力，優(yōu)化碳材料的表面結(jié)構(gòu)，且可能成為一種很有前景的厭氧發(fā)酵添加劑。

本文合成一種在厭氧共發(fā)酵系統(tǒng)中使用的氮摻雜蘆薈碳添加劑，探究氮摻雜蘆薈碳添加劑對厭氧共發(fā)酵耦合磁場系統(tǒng)發(fā)酵性能的影響規(guī)律，并分析其產(chǎn)氣特性和增強甲烷產(chǎn)量的內(nèi)在機制。

1 實 驗

1.1 氮摻雜蘆薈碳（N-C）的合成

1.1.1 蘆薈碳（APC）的合成

本實驗以蘆薈皮廢棄物作為生物碳的原材料，采用水熱碳化結(jié)合化學(xué)活化法制備蘆薈碳。具體制備流程如圖1所示。首先，用自來水洗滌蘆薈皮廢棄物，去除表面雜質(zhì)，在105 ℃下干燥24 h，將干燥后的蘆薈皮破碎成粉末，稱量6 g蘆薈皮粉末加入到120 mL的去離子水中，混合攪拌4 h。將混合溶液在230 ℃下水熱碳化15 h，獲得水熱碳。進一步將水熱碳加至KOH溶液（m（水熱碳）∶m（KOH））進行活化處理，攪拌4 h，隨后在105 ℃烘箱中干燥24 h，將干燥后的樣品在N2氣氛中800 ℃溫度下退火2 h。將退火后獲得的產(chǎn)物用去離子水洗滌至中性，在105 ℃下干燥24 h，最終獲得蘆薈碳（APC）。更多實驗細節(jié)請參照本課題組之前的報道［15-16］。

1.1.2 N-C的合成

如圖1所示，將120 mg蘆薈衍生碳分散在50 mL去離子水中，然后加入2.4 g尿素（CH4N2O，Alfa，99.0%）至上述混合溶液中，攪拌1.5 h，將所得的溶液轉(zhuǎn)移至水熱反應(yīng)釜，在200 ℃水熱處理12 h，再用乙醇和去離子水清洗上述產(chǎn)物，即得到氮摻雜蘆薈碳（N-C）。

1.2 實驗設(shè)置

本實驗采用西安某種牛廠的牛糞和楊凌某蘆薈養(yǎng)殖基地的蘆薈皮廢棄物作為共發(fā)酵底物，以西安某污水廠的活性污泥作為接種物，牛糞與蘆薈皮的比例為1∶3，共底物與接種物的比例為3∶7。表1中所示為底物以及接種物的主要特性。以不同濃度的N-C作為添加劑（0.15%、0.20% 、0.25%和0.30%，如非特別指出本文百分數(shù)均為質(zhì)量分數(shù)），不加任何添加劑的實驗組作為對照組（CK）。參考本課題組前期的研究結(jié)果，磁場強度設(shè)為5 mT［17］。在磁場強度為5 mT條件下，再設(shè)置幾組實驗，分別為0.15% N-CmT、0.20% N-CmT、0.25% N-CmT、0.30% N-CmT及對照組CKmT。實驗裝置采用500 mL廣口瓶，有效體積400 mL，恒溫水浴加熱（37±1 ℃），整個發(fā)酵周期設(shè)置為35 d。所有實驗均重復(fù)兩次，每天記錄沼氣產(chǎn)量，每5天測試一次pH值。

2 分析討論

2.1 實驗原料的主要特性

S元素和N元素是微生物生長繁殖的必需元素，而C/N值是影響厭氧發(fā)酵的重要參數(shù)。C/N值過低會導(dǎo)致氨氮含量過高而抑制發(fā)酵過程，進而影響有機物的分解；C/N值過高使

得氨氮濃度過低，從而導(dǎo)致厭氧發(fā)酵系統(tǒng)緩沖能力下降，揮發(fā)性脂肪酸過度積累而造成酸化，微生物活性降低，最終影響甲烷生產(chǎn)［18］。表1中，蘆薈皮的氮含量（即總固體含量中的氮含量）為1.68%，牛糞的氮含量為3.82%，對應(yīng)的C/N值分別為35.52和11.85。因此，以蘆薈皮為單一底物的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)緩沖能力差、微生物活性不足［5］。與蘆薈皮相比，牛糞具有更高的氮含量和更好的緩沖能力，可作為外加氮源，調(diào)節(jié)底物的C/N值。通常情況下，穩(wěn)定的發(fā)酵系統(tǒng)其C/N值在18～25之間。蘆薈皮與牛糞作為厭氧發(fā)酵的共底物，獲得的C/N值為23.92，合適的C/N值有利于解決厭氧發(fā)酵過程中氨氮濃度過低或過高的問題。事實上，前期工作已證實，蘆薈皮和牛糞作為厭氧發(fā)酵的共底物，能獲得適宜的C/N值（23.3和23.2）［5，14］。

2.2 N-C的成分以及形貌分析

圖2是氮摻雜蘆薈碳（N-C）的X-射線衍射（X-ray diffraction， XRD）圖。結(jié)果顯示N-C有兩個典型的碳峰，分別對應(yīng)石墨碳22.5°的002晶面和43.5°的100晶面，可證明蘆薈碳成功合成。用掃描電子顯微鏡（FESEM）對蘆薈碳和N-C的表面形貌和顆粒大小進行分析，從圖3可看出，APC和N-C呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這可能是由于KOH的刻蝕導(dǎo)致［19］。當N元素摻雜之后，可觀察到該樣品的部分孔結(jié)構(gòu)被破壞，這可能是由CH4N2O的二次活化導(dǎo)致的［20］。采用EDS分析N-C的元素成分，從圖3b中可看出N元素已成功摻雜進C表面，同時還觀測到O元素的存在，這可能是樣品與空氣接觸所導(dǎo)致的［21］。這些FESEM結(jié)果證實了N已摻入C，N-C已經(jīng)成功合成，并具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和多孔的形貌。

2.3 N-C的表面官能團分析

圖4a和圖4b分別為APC和N-C的X射線光電子能譜 （X-ray photoelectron spectroscopy， XPS） 全譜。2種碳材料都呈現(xiàn)出3個明顯的特征峰，分別為285 eV處的C 1s峰，400 eV處的N 1s峰以及533 eV處的O 1s峰。在C 1s峰譜中（圖4c和圖4d），在284.7、285.8、288.18 eV處出現(xiàn)3個能譜峰，分別歸屬于C==C、C—N、C==O/O—C==O［22-23］。在N 1s峰譜中，398、400和405 eV的峰分別歸屬于3種含氮官能團（吡啶氮、吡咯氮和氧化氮）［24］。此外，O 1s峰譜中發(fā)現(xiàn)了3種含氧基團，分別為C==O（531 eV）、C—O（532 eV）和COOH/O—H（534 eV）［25］。盡管2種碳材料均含有C、N、O這3種元素，

但其含量明顯不同。APC中C、N、O的原子含量及質(zhì)量分數(shù)分別為65.90%和59.35%、1.78%和1.87%、32.32%和38.78%，N-C中C、N、O的原子含量和質(zhì)量分數(shù)分別為89.66%和86.99%、2.17%和2.46%、和8.17%和10.56%。因此，與APC相比，N-C中的O含量顯著下降，而C和N的含量顯著提升，這表明N摻雜能有效增加含N官能團的數(shù)量。

2.4 N-C和磁場對沼氣、甲烷以及CO2產(chǎn)量的影響

在發(fā)酵系統(tǒng)中，沼氣產(chǎn)量是一個衡量發(fā)酵性能的重要指標。圖5a和圖5b展示了不同濃度的N-C對厭氧發(fā)酵系統(tǒng)日產(chǎn)氣量、累積產(chǎn)氣量、甲烷和CO2含量/產(chǎn)量的影響。可觀察到發(fā)酵系統(tǒng)的日沼氣產(chǎn)量均呈現(xiàn)出2個明顯的特征峰。第1個特征峰出現(xiàn)在約第7天，這是由于碳水化合物的降解導(dǎo)致產(chǎn)氣量提升；第2個峰出現(xiàn)在約第15天，這是由于粗蛋白質(zhì)、木質(zhì)纖維素等大分子的分解導(dǎo)致產(chǎn)氣量提升。本課題組之前的工作中也觀察到相似的現(xiàn)象［26-27］。此外可看出，對照CK組，添加N-C和N-CmT使產(chǎn)氣峰提前出現(xiàn)。0.3% N-C的添加劑使第1個產(chǎn)氣峰提前3 d出現(xiàn)。對于施加磁場的實驗組，0.3% N-C的添加劑使第1個產(chǎn)氣峰提前5 d出現(xiàn)；第2個產(chǎn)氣峰提前6 d出現(xiàn)，且2個產(chǎn)氣高峰的峰值明顯提高，這說明磁場和N-C添加劑的共同作用可更有效地提升沼氣產(chǎn)量，加速厭氧消化過程。

添加不同濃度的N-C，發(fā)酵系統(tǒng)的累積沼氣產(chǎn)量如圖5c和圖5d所示。在未加磁場的實驗組中，質(zhì)量分數(shù)為0.3% N-C的實驗組獲得最高累積產(chǎn)氣量（379.71 mL/g VS），比CK組（266.64 mL/g VS）高42.4%。有趣的是，施加磁場的發(fā)酵系統(tǒng)，其累積產(chǎn)氣量普遍高于對照組。其中，0.3% N-CmT（537.60 mL/g VS）的沼氣產(chǎn)量最高，分別比CKmT（395.69 mL/g VS）、0.3% N-C組（379.71 mL/g VS）、CK（266.64 mL/g VS）高35.9%、41.6%、101.6%。結(jié)果表明，N-C能促進沼氣生產(chǎn)，施加磁場可進一步縮短發(fā)酵周期，加速厭氧消化反應(yīng)，提升沼氣產(chǎn)量。顯然，在厭氧共發(fā)酵耦合磁場系統(tǒng)中加入N-C添加劑，可明顯改善沼氣產(chǎn)量。

根據(jù)沼氣產(chǎn)量，選取實驗組CK、0.3% N-C和0.3% N-CmT來測定其CH4和CO2的含量。當發(fā)酵系統(tǒng)趨于穩(wěn)定時，每5天測定一次CH4和CO2的含量，取其平均值，乘以累計沼氣產(chǎn)量，計算得到整個發(fā)酵過程中CH4和CO2的產(chǎn)量，具體結(jié)果如圖5e和圖5f所示?？捎^察到加入0.3% N-C的實驗組，其CH4含量（56.1%）明顯高于CK組（48.6%），CO2含量（32.2%）低于CK組（41.2%），累計CH4產(chǎn)量達到213.02 mL/g VS，這說明N-C的加入能提高甲烷產(chǎn)量。主要原因是含氮官能團的引入提升了N-C添加劑對系統(tǒng)中CO2的吸附能力，增強了CO2的轉(zhuǎn)化；同時改善了產(chǎn)甲烷菌與產(chǎn)乙酸菌之間的電荷轉(zhuǎn)移，從而提高了甲烷產(chǎn)量［28］。在外加磁場后，CH4含量（59.3%）進一步提升，CH4產(chǎn)量達到318.8 mL/g VS，CO2含量（28.6%）進一步下降，這說明磁場的加入提升了CO2的消耗，提高了甲烷產(chǎn)量。綜上，N-C添加劑和外加磁場可有效改善發(fā)酵系統(tǒng)的性能，提高沼氣產(chǎn)量和CH4含量。

2.5 N-C和磁場對TCOD、TS、VS和pH值的影響

總化學(xué)需氧量（total chemical oxygen demand， TCOD）去除率是厭氧發(fā)酵中衡量有機物降解程度的一個重要參數(shù)。TCOD去除率越高代表有機物降解得越徹底，殘留的沼渣對環(huán)境污染就越小。圖6a展示了N-C添加劑對厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的TCOD去除率的影響。本次實驗的初始TCOD濃度為46461.5 mg/L?？煽闯?，相比于CK組（53.8%），添加N-C的發(fā)酵系統(tǒng)獲得了更高的TCOD去除率，這說明N-C的加入對有機物的降解產(chǎn)生了促進作用。0.3% N-C的發(fā)酵系統(tǒng)獲得了最高的TCOD去除率（62.21%），其次是0.25%N-C（58.00%）、0.20% N-C（55.48%）、0.15%N-C（54.64%）。

在5 mT磁場強度下的發(fā)酵系統(tǒng)（圖6b），CKmT組的TCOD去除率為57.16%，0.3% N-CmT的組，獲得了最高的TCOD去除率（79.02%），其次是0.20% N-CmT（75.66%），0.15% N-CmT（63.89%），0.25% N-CmT（62.21%）。施加了磁場的實驗組，其TCOD去除率普遍高于未添加磁場的實驗組，這說明磁場與N-C的共同作用顯著提高了微生物的活性，改善了其對有機物的降解。

厭氧共發(fā)酵前后的總固體（total solids， TS）和揮發(fā)性固體（volatile solids， VS）反映了發(fā)酵系統(tǒng)中底物的降解情況。與TCOD去除率相比，TS和VS去除率也獲得了相同趨勢。從表2可觀察到，初始TS和VS分別為61.736 g/kg和40.746 g/kg。在35 d發(fā)酵結(jié)束后，N-CmT（0.3%）的TS和VS含量達到最低，分別為34.527 g/kg和18.047 g/kg，獲得了44.07%的TS去除率和55.7%的VS去除率。加入N-C添加劑后，所有組分的TS和VS去除率均高于CK，這說明N-C添加劑可促進厭氧發(fā)酵中有機物的降解。而在施加外加磁場后，所有組分的TS和VS去除率整體高于未加磁場的組分，這說明外加磁場進一步提升了有機物的降解能力，改善了厭氧發(fā)酵的性能。

pH值反映厭氧發(fā)酵環(huán)境是否適宜微生物的生長。本次實驗的pH值變化如圖6c和圖6d所示。研究表明，適宜微生物生長環(huán)境，其pH值范圍為5.5～8.2，低于5.5或高于8.2時，微生物的生長會受到抑制［29］。在本次實驗前，經(jīng)過對牛糞和蘆薈皮的預(yù)處理，將整個系統(tǒng)pH值的范圍調(diào)整在7.2～7.8之間。而在發(fā)酵的初始階段，由于醇類和碳水化合物等小分子有機物的水解、酸化，有機酸的產(chǎn)生導(dǎo)致反應(yīng)器的pH值開始下降。隨著發(fā)酵的進行，揮發(fā)性脂肪酸開始被消耗，pH值開始逐漸回升。在發(fā)酵結(jié)束時，所有發(fā)酵系統(tǒng)的pH值都在7.0～7.5之間，處于最佳的pH值范圍之內(nèi)?？捎^察到，添加N-C的組，發(fā)酵系統(tǒng)的pH值高于CK；而耦合磁場的實驗組，其pH值都高于未加磁場的實驗組。這與之前報道的結(jié)果一致［17，27］。

2.6 蘆薈皮和原料中N含量對厭氧發(fā)酵的影響

蘆薈皮、牛糞、APC和N-C中的N含量如圖7所示。蘆薈皮、牛糞、對照組CK的N含量分別為1.68%、3.82%、5.5%。相比于APC的N含量1.87%，N摻雜之后的N-C的N含量提高了0.59%，說明N摻雜提高了碳材料中含氮官能團的含量。N-C組比CK組中的N含量提高了2.46%，添加N-C添加劑后，和對照組CK相比，N-C組的沼氣產(chǎn)量、CH4產(chǎn)量和TCOD去除率分別提高了42.4%、64.4%和8.4%，表明N-C能顯著提升發(fā)酵系統(tǒng)的沼氣生產(chǎn)和底物降解。

2.7 N-C和磁場促進厭氧共發(fā)酵系統(tǒng)甲烷生成的機理

厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中，甲烷的生成有3條路徑，如圖8所示。路徑1為乙酸消耗型產(chǎn)甲烷菌作用，反應(yīng)方程式為CH3COO-+H+[]CH4+CO2；路徑2為H2消耗型產(chǎn)甲烷菌作用，反應(yīng)方程式為4H2+CO2[]CH4+2H2O；路徑3是通過導(dǎo)電菌毛或添加導(dǎo)電材料傳遞電子的過程，被稱為直接種間電子轉(zhuǎn)移（direct interspecies electron transfer， DIET），反應(yīng)方程式為4H++4e-+1/2CO2[]1/2CH4+H2O。路徑1、2是由不同類型產(chǎn)甲烷菌之間的代謝活動引起的，特別是在路徑2中，H2作為載體在電子給體和電子受體之間轉(zhuǎn)移電子，稱為種間氫轉(zhuǎn)移（interspecies hydrogen transfer， IHT）。然而，高氫氣分壓會抑制IHT，導(dǎo)致中間副產(chǎn)物的堆積和發(fā)酵系統(tǒng)的酸化，不利于厭氧發(fā)酵的穩(wěn)定和順利進行。在路徑3中，DIET是近年來發(fā)現(xiàn)的一種互養(yǎng)細菌和產(chǎn)甲烷菌之間發(fā)生的細胞間的電子傳遞［11］。與IHT相比，DIET的電子傳遞速度約為前者的106倍，具有更少的能量消耗和更快的電子轉(zhuǎn)移。

在本實驗中，氮摻雜在蘆薈碳表面引入了含N和O的官能團。首先，含N官能團（吡咯-N、吡啶-N和氧化-N）在蘆薈碳材料表面產(chǎn)生孤電子對，因而提升了添加劑的電荷轉(zhuǎn)移能力。醌基（C==O）可氧化底物中的有機質(zhì)，促進微生物之間的電子轉(zhuǎn)移，在以前的文獻中已得到證實［30］。電荷轉(zhuǎn)移的增強直接促進微生物之間的DIET作用，使得發(fā)酵性能得到提升。與未摻雜的APC相比，N摻雜能使N-C構(gòu)造更多的官能團，相應(yīng)地，N-C組的厭氧發(fā)酵性能也得到顯著提升。相似的現(xiàn)象在已有文獻中也有相關(guān)報道［14］。同時，施加磁場可提升發(fā)酵過程中微生物所產(chǎn)生的酶的活性，進而促進復(fù)雜有機物降解為小分子量的有機物。在之前的研究中已證實，磁場可通過提高酶的活性、增加微生物的生長和繁殖來提高微生物的活性，改善發(fā)酵系統(tǒng)的發(fā)酵環(huán)境，提高TCOD去除率和沼氣生產(chǎn)率［17， 27］。

綜上，從兩個方面來解釋增強的甲烷生產(chǎn)過程。首先，氮摻雜蘆薈碳作為添加劑，其表面豐富的含N官能團和含O官能團促進了微生物之間的電子轉(zhuǎn)移；其次，磁場的加入改善了發(fā)酵過程中酶的活性，促進了底物中的復(fù)雜有機物的降解。因此，氮摻雜蘆薈碳作為添加劑，耦合磁場可改善厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的發(fā)酵性能，促進甲烷的生成和底物的降解。

3 結(jié) 論

本文研究了氮摻雜蘆薈碳作為添加劑耦合外加磁場對厭氧共發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)甲烷的影響。結(jié)果表明，N-C的加入提升了厭氧共發(fā)酵的甲烷產(chǎn)量和底物降解率。0.3% N-C獲得了213.02 mL/g VS的甲烷產(chǎn)量以及62.21%的TCOD降解率。0.30%的N-C與磁場的協(xié)同作用使產(chǎn)氣高峰提前了2～3 d，且日沼氣產(chǎn)量顯著增加。外加磁場條件下，0.30%的N-CmT獲得318.8 mL/g VS的甲烷產(chǎn)量以及79.02%的TCOD降解率。本工作利用N-C添加劑耦合磁場促進厭氧共發(fā)酵系統(tǒng)增強甲烷生產(chǎn)是一種值得被應(yīng)用的策略。

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SYNERGISTIC EFFECT OF ALOE PEEL-DERIVED NITROGEN-DOPED

BIO-BASED CARBON AND MAGNETIC FIELD ON METHANE PRODUCTION IN ANAEROBIC CO-DIGESTION

An Jinhang，Li Bingjie，Wang Kaijun，Ke Teng，Yun Sining

（Functional Materials Laboratory（FML）， School of Materials Science and Engineering， Xi’an University of Architecture and Technology，

Xi’an 710055， China）

Abstract：In this study， aloe peel-derived nitrogen-doped bio-based carbon （N-C） was used as an additive in an anaerobic co-digestion system to investigate the synergistic effect of N-C and a magnetic field on methane production， pH value， and the removal rates of total chemical oxygen demand （TCOD）， total solids （TS）， and volatile solids （VS）. The results show that， compared with the control group， the addition of N-C can improve the gas production peak of the digestion system and increase biogas production. Applying a magnetic field of 5 mT to the digestion system and adding N-C can further improve the performance of the co-digestion system. The synergistic effect of the N-C additive and a magnetic field results in a biogas production peak 2-3 days earlier than that of the CK group， and the cumulative biogas production increases by 48.40%-101.6%. The addition of 0.30% N-C enable the digestion system to obtain the highest biogas production （537.6 mL/g VS）， methane content （59.3%）， methane production （318.8 mL/g VS）， and removal rate of TCOD （79.02%）， TS （44.1%） and VS （55.7%）. This paper explains the synergistic effect of N-C as an additive and a magnetic field in enhancing methane production in anaerobic co-digestion.

Keywords：magnetic fields； anaerobic digestion； methane； biogas； aloe peel-derived nitrogen-doped bio-based carbon； surface functional groups