在微生物电解细胞中,从废弃活性污泥发酵液中提升依赖生物膜的生物气体升级

科学领域:

• 环境科学 环境科学
• 生物技术是生物技术.
• 材料科学 材料科学 材料科学

背景情况:

• 废物活性污泥 (WAS) 的无氧消化对于废物转化为能源至关重要.
• 微生物电解细胞 (MEC) 与无氧消化 (AD) 相结合,显示出增强生物气生产的前景.
• 开发高效的阴极材料是优化MEC-AD性能的关键.

研究的目的:

• 调查金属有机框架 (MOFs) 衍生的Fe-NC作为MEC-AD系统中的阴极材料的有效性.
• 评估Fe-NC对甲产量,甲含量和微生物群落动态的影响.
• 阐明Fe-NC阴极所带来的性能提升背后的机制.

主要方法:

• 来自MOFs的Fe-NC阴极的制造和表征.
• 使用WAS发酵液的微生物电解与细胞合无氧消化 (MEC-AD) 系统的运行.
• 分析电化学性质 (特定电容,电子转移电阻) 和表面结构 (BET表面积).
• 微生物种群的量化 (细菌和古生物的基因负载) 和关键的合成细菌和古生物的识别.
• 测量甲产量,甲含量和依赖CO2的甲生产.

主要成果:

• 与碳 (CF) 相比,Fe-NC阴极表现出一个中孔结构 (1381 m2/g表面积) 和优越的电化学特性.
• Fe-NC显著增加了细菌和古生物的基因负载,丰富了像Proteiniphilum和Methanobacterium这样的合成基因.
• 最大甲产量达到0.31 m3 CH4/kg COD,甲含量为92.8%,依赖CO2的甲产量提高了107.6%.
• Fe-NC生物膜增强了与酶相关的二氧化碳减少,促进了电子转移和ATP合成,有利于甲生成代谢.
• 在Fe-NC生物膜内确定了一种增强的质子合电子转移 (PCET) 过程.

结论:

• 从MOFs衍生出的Fe-NC阴极材料有效地提高了处理WAS的MEC-AD系统中的甲生产和沼气质量.
• 改进的性能与优越的电化学特性,增强的微生物活性和优化的电子转移通路 (包括PCET) 有关.
• 本研究提出了一项可行的战略,以推进废物转化能源技术和生物气升级,为废水处理带来潜在的经济效益.