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伴随着人们对环保问题的重视,生物质能源在整体能源行业中的地位日益重要。由微生物之间相互作用、通过厌氧消化产生的沼气,再经过提纯后得到的生物天然气就是其中的典型代表。但是传统的厌氧消化停滞期较长、反应体系不够稳定、底物的降解率低、产甲烷速率缓慢等问题亟待改善。近几年,研究者们发现添加碳基材料,能够在一定程度上促进厌氧消化,提高发酵底物的产甲烷性能。本文基于厌氧消化产甲烷的研究现状,设计试验,探索几种碳基材料(碳量子点(Carbon dots,简称CDs)、乙炔黑、生物炭(水热炭、热解炭))对有机物料厌氧消化的影响。根据各试验的最终产气结果、结合所用原料和碳基材料的特性,对产气促进效果及机理进行分析。得到的主要结论如下:(1)以单一原料(葡萄糖、纤维素和乙醇)作为底物,以CDs作为添加物,进行产甲烷潜力(BMP)试验研究。结果显示,与对照组相比(未添加CDs),当葡萄糖为原料时,添加1.0 g/L的氮掺杂碳量子点(N-CDs)可使最终甲烷产量提高6.6%;当纤维素为原料时,添加1.0 g/L的N-CDs可使最终甲烷产量提高15%;当乙醇为原料时,添加5.0 g/L的锌掺杂碳量子点(Zn-CDs)可使最终甲烷产量提高24.6%。CDs水溶性良好,能在试验体系中均匀分布,且CDs导电性远高于微生物表面的导电菌毛(Pili)(890μS/cm～6.29 m S/cm vs 0～18μS/cm),可增强微生物间的电子传递,继而提高甲烷产量。另外,添加的这些CDs可富集部分能参与电子传递的互营微生物(如Pseudomonadaceae、Methanosarcinaceae)或直接代谢产甲烷的微生物(如Methanobacteriaceae),这些微生物的富集能提升原料厌氧消化产甲烷的效率。(2)进一步地,以复杂原料(醋渣)作为底物,以N-CDs、水热炭、乙炔黑作为添加物,进行产甲烷潜力(BMP)试验研究。结果显示,添加1.0 g/L的水热炭能使甲烷产量提高50.8%;添加1.0 g/L的乙炔黑能使甲烷产量提高2.32倍;添加5.0 g/L的N-CDs能使甲烷产量提高2.29倍。由于水热炭是片层状结构,并且是碱性物质,尺寸远大于微生物的大小,它在厌氧消化体系中可为厌氧微生物提供多个生长位点和良好的生存环境。乙炔黑和N-CDs都属于纳米级的颗粒状物质,有较高的比表面积(74.31 m~2/g和31.6 m~2/g)和良好的导电性(2.06 S/cm和890μS/cm),能使其充分接触互营微生物,优化产甲烷过程中电子传递的速率。从沼渣样品的微生物分析结果可知,相比于未添加碳基材料的对照组,添加的这三种碳基材料均可富集分解纤维素的微生物,如Ruminococcaceae(从5.1%提高到8.2%以上);添加乙炔黑可富集Methanosarcinaceae(78.8%提高到84.4%),添加N-CDs可富集Methanobacteriaceae(4.0%提高到7.5%)。这些微生物的富集可提高醋渣的水解速率、微生物间的电子传递速率以及甲烷的产生速率。(3)为充分拓展碳基材料在不同厌氧体系中的应用,我们在干式厌氧条件下(不进行渗滤液喷淋),以复杂原料(秸秆)为底物,研究乙炔黑(1%～20%,基于秸秆TS)添加对其厌氧消化产甲烷的影响。结果表明,添加5%的乙炔黑能使最终甲烷产量提高8.8%。之后,试验以秸秆和猪粪混合物为原料(平衡C/N比),采用渗滤液喷淋回流的方式强化传质,研究沼渣热解炭添加对其厌氧消化产甲烷的影响。结果显示,5%的沼渣热解炭能使秸秆和猪粪混合原料的最终甲烷产量提高63%,最大产甲烷速率提高43%。乙炔黑和热解炭对干式厌氧消化产甲烷的促进效果,除了受原料和反应器类别的影响,还受碳基材料的比表面积、导电性和粒径大小等特性的影响。