论文标题：Enhanced hydrogen production in microbial electrolysis through strategies of carbon recovery from alkaline/thermal treated sludge (从碱性/热处理污泥中回收碳用于提高微生物电解的产氢量)

期刊： Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者：Ling Wang, Chunxue Yang, Sangeetha Thangave, Zechong Guo, Chuan Chen, Aijie Wang, Wenzong Liu

发表时间：15 Oct 2020

DOI：10.1007/s11783-020-1348-4

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编者荐语：

《前沿》系列之《环境科学与工程前沿》最新发表

文章出版：Front. Environ. Sci. Eng. 2021, 15(4): 56

原文信息

题目：

Enhanced hydrogen production in microbial electrolysis through strategies of carbon recovery from alkaline/thermal treated sludge

作者：

Ling Wang^1*, Chunxue Yang^2*, Sangeetha Thangavel³, Zechong Guo⁴, Chuan Chen¹, Aijie Wang^1,5, Wenzong Liu ()⁵

作者单位：

1 State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China

2 Heilongjiang Cold Region Wet land Ecology and Environment Research Key Laboratory, School of Geography and Tourism, Harbin University, Harbin 150086, China

3 Department of Energy and Refrigerating Air-Conditioning Engineering, Taipei University of Technology, Taipei 10608, China

4 School of Environmental and Chemical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212013, China

5 School of Civil and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology Shenzhen, Shenzhen 518055, China

关键词：

Waste activated sludge (WAS) (剩余污泥), Short chain fatty acids (SCFAs) (短链脂肪酸), Hydrogen (氢气), Pretreatment (预处理), Microbial electrolysis cells (MECs) (微生物电解池)

文章亮点

• 热碱法预处理污泥可获得高产氢率；

• 在氢回收方面，离心分离比过滤分离效果更好；

• 研究了复杂底物在微生物电解池中的级联生物转化；

• 评价了与衬底转换有关的能量和电子效率。

文章简介

氢能具有高热值、可持续性和生态友好性，与化石燃料相比，氢能被认为是一种性价比高的清洁能源。利用废生物质生产生物氢目前已成为可持续绿色能源发展的替代选择。剩余污泥是一种富含碳水化合物和蛋白质的废生物质，是潜在的生物制氢底物。利用剩余污泥生产氢气是一种很好的能源回收和同时有机降解的选择。

本研究的目的是研究在不添加缓冲液的情况下，热(T)、碱性(A)或热碱性(TA)预处理污泥发酵液(SFL)在微生物电解细胞(MECs)中的生物氢气产量。TA预处理离心分离SFL的产氢率最高，为36.87~ 4.36 mgH₂/gVSS (0.026 m³/kg COD)，分别是单一碱法、热预处理和原污泥的5.12、2.35和43.25倍。通过离心分离污泥中的SFL，消除了颗粒物的负面影响，比过滤更有利于产氢。预处理后积累的短链脂肪酸是MEC产氢的主要优势底物，其中乙酸、丙酸和正丁酸的最大利用率分别为93.69%、90.72%和91.85%。这些结果表明，热碱预处理剩余污泥能有效地实现SCFAs的积累，发酵产物中短链脂肪酸组分和级联生物转化是决定MEC能量效率和氢转化率的主要因素。

图1 摘要图

编者点评

在本研究中，利用碱处理、热处理和热碱复合预处理提高了剩余污泥水解和短链脂肪酸的积累。采用过滤和离心的方法从剩余污泥中回收污泥发酵液，并研究了这些不同策略对微生物电解池（MEC）制氢的影响。在不添加缓冲液的情况下，采用MEC可将碱/热预处理的污泥发酵液作为底物制取氢气。研究发现通过离心分离污泥中溶解有机碳和颗粒物，消除了颗粒物对系统的负面影响，在微生物电解池中回收更多的氢，减少了氢的后续利用和损耗。本研究证明，选择合适的预处理方法使污泥发酵积累HAc、n-HBu和HPr，将更有利于MEC从剩余污泥中高效回收氢气。

本期编辑

靳百川，男，24岁，北京化工大学化学工程学院2019级环境工程专业硕士生，导师为张婷婷教授，研究方向为生物炭基异味抑制材料的开发。

摘要

The aim of this study was to investigate the biohydrogen production from thermal (T), alkaline (A) or thermal-alkaline (TA) pretreated sludge fermentation liquid (SFL) in a microbial electrolysis cells (MECs) without buffer addition. Highest hydrogen yield of 36.87±4.36 mgH₂/gVSS (0.026 m³/kg COD) was achieved in TA pretreated SFL separated by centrifugation, which was 5.12, 2.35 and 43.25 times higher than that of individual alkaline, thermal pretreatment and raw sludge, respectively. Separating SFL from sludge by centrifugation eliminated the negative effects of particulate matters, was more conducive for hydrogen production than filtration. The accumulated short chain fatty acid (SCFAs) after pretreatments were the main substrates for MEC hydrogen production. The maximum utilization ratio of acetic acid, propionic acid and n-butyric acid was 93.69%, 90.72% and 91.85%, respectively. These results revealed that pretreated WAS was highly efficient to stimulate the accumulation of SCFAs. And the characteristics and cascade bioconversion of complex substrates were the main factor that determined the energy efficiency and hydrogen conversion rate of MECs.

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