我国作为人口和农业大国，每年会产生大量的有机废弃物。据统计，2018年全国畜禽粪污年产量约30亿吨、农作物秸秆约10亿吨、城市生活垃圾约2亿吨^[1]，如处理不当会造成严重的环境污染和资源浪费。厌氧消化(anaerobic digestion, AD)作为当前有机废弃物处理的重要技术，可在无氧条件下利用微生物降解有机质得到清洁能源沼气^[2]，实现废弃物的减量化、无害化和资源化，有助于推动我国能源结构转型，促进达成碳达峰和碳中和目标，具有重要的经济、环境和社会效益。然而，实际工程中由于底物特性及消化条件较为复杂，消化过程存在酸化、氨氮抑制、微生物增殖缓慢等问题，导致启动时间长、运行不稳定、产气效率低，限制了厌氧消化工程的规模化和产业化。

生物炭是生物质在无氧或限氧条件下热解(200~1 000 ℃)形成的多孔碳材料，主要包括碳组分和灰分，具备良好的理化性质，如比表面积高、元素组成和表面官能团丰富、导电性强等，受到研究者的广泛关注。通过整理近30年的相关文献发现，自1986年Geeta等^[3]首次报道生物炭可提高牛粪厌氧消化系统的产气量后，众多研究者将生物炭应用于各种厌氧消化体系，研究结果显示其可有效改善体系的产气效率低、运行稳定性差等问题^[4-5]，并表明生物炭的理化性质是其强化消化过程的基础^[6]。然而，目前关于生物炭强化厌氧消化过程的机理及不同理化性质与强化效果间的联系尚缺乏系统梳理和深入剖析，限制了其在实际工程中的应用和推广。因此，本文系统梳理了生物炭对厌氧消化作用效果与可能机制的研究进展，总结了其对厌氧消化过程强化作用的机制，并综述了制备条件对生物炭理化性质的影响，以期获得适宜的理化特性，促使生物炭在厌氧消化领域的应用效果最大化。

目前已有众多研究将不同原料生物炭应用于禽畜粪便、餐厨垃圾、污水污泥、作物秸秆等多种有机废弃物的厌氧消化体系，如表 1所示。其中，Liang等^[7]、Pan等^[8]报道在鸡粪厌氧消化系统中，果木、麦秸和鸡粪生物炭均可提高累积甲烷产量，维系消化系统的连续稳定运行。李丹妮等^[22]、Yang等^[10]报道在猪粪厌氧消化系统中，秸秆生物炭可提高甲烷产量、缩短延滞期。Jang等^[12]、张振等^[13]的研究表明生物炭对牛粪厌氧消化系统也具有类似的强化效果。Cui等^[14]、Sugiarto等^[15]、Li等^[16]报道木屑生物炭可提高餐厨垃圾厌氧消化系统的累积甲烷产量。此外，生物炭在污水污泥^[18-19]、作物秸秆^[21]等厌氧消化体系中也表现出良好的强化效果。总结分析当前生物炭强化厌氧消化过程的相关文献可知，发酵体系多为中高温系统(35~55 ℃)，强化作用主要表现为提高累积甲烷产量和甲烷含量、缩短厌氧消化反应延滞期。其中，生物炭可缩短14.3%~87.4%的延滞期、提高5.53%~214%的累积甲烷产量以及20.3%~131.0%的甲烷含量。此外，生物炭对厌氧消化体系的强化效果受多种因素如原料类型、投加量及粒径等的影响，如在同一厌氧消化体系中，木质类生物炭对甲烷产量的提升效果优于鸡粪和秸秆生物炭^[8]；当生物炭类型相同时，累积甲烷产量的提升率和延滞期的缩短率会随投加量的增大呈先增后减的趋势^[10]，且随生物炭粒径的增大而降低^[17]。但生物炭也可能对厌氧消化体系产生负面影响，如Chiappero等^[18]报道在活性污泥厌氧消化体系中，稻杆或污泥基生物炭会降低累积产气量。因此，生物炭对厌氧消化的强化作用效果及作用机制仍需进一步验证与分析。

表 1(Table 1

表 1 生物炭对厌氧消化的作用效果 Table 1 Effect of biochar on AD 发酵底物 发酵条件 生物炭原料 制备条件 投加量 作用效果 文献 鸡粪 35 ℃，30 d 木材 550 ℃，2 h 5%(TS) 累积甲烷产量提高18.0%，延滞期缩短41.0%，H2S减少95.0%以上 [7] 35 ℃，72 d 鸡粪 450 ℃，2 h 5%(TS) 累积甲烷产量提高39.7% [8] 35 ℃，72 d 麦秸 550 ℃，2 h 5%(TS) 累积甲烷产量提高36.8% [8] 35 ℃，72 d 果木 550 ℃，2 h 5%(TS) 累积甲烷产量提高69.0% [8] 35 ℃，115 d 果木 550 ℃ 5%(TS) 累积甲烷产量提高12.0% [9] 猪粪 37 ℃，60 d 稻杆 300 ℃ 5%~20%(TS) 累积甲烷产量提高9.84%~25.1%，延滞期缩短32.2%~64.8% [10] 37 ℃，50 d 麦秸 400 ℃ 8%(TS) 累积甲烷产量提高78.1%，平均甲烷含量提高20.3% [11] 牛粪 25 ℃，35 d 干牛粪 350 ℃，3 h 10 g/L 累积甲烷产量提高27.7%，延滞期缩短14.3% [12] 35 ℃，35 d 干牛粪 350 ℃，3 h 10 g/L 累积甲烷产量提高32.2%，延滞期缩短26.9% [12] 55 ℃，35 d 干牛粪 350 ℃，3 h 10 g/L 累积甲烷产量提高35.7%，延滞期缩短24.4% [12] 37 ℃，50 d 核桃壳 600 ℃，3 h 4%(TS) 累积甲烷产量提高30.5% [13] 餐厨垃圾 35 ℃ 废木屑 800 ℃ 25 g/L 累积甲烷产量提高214% [14] 37 ℃ 锯末 650/900 ℃ 10 g/L 累积甲烷产量提高46.9% [15] 55 ℃，35 d 木屑 500 ℃，1 h 10 g/L 累积甲烷产量提高125%；延滞期最大缩短87.4% [16] 牛粪+玉米秸秆 38 ℃，24 d 苹果木 600 ℃ 20 g/L 累积甲烷产量提高5.53%，水解速率提高17.7%，延滞期缩短48.7% [17] 38 ℃，24 d 木屑 粒径 < 0.5 mm 20 g/L 累积甲烷产量提高19.5%，水解速率提高33.9%，延滞期缩短51.3% 38 ℃，24 d 木屑 粒径0.5~1.0 mm 20 g/L 累积甲烷产量提高18.6%，水解速率提高31.9%，延滞期缩短41.0% 38 ℃，24 d 木屑 粒径1.0~2.0 mm 20 g/L 累积甲烷产量提高16.9%，水解速率提高27.1%，延滞期缩短48.7% 活性污泥 37 ℃ 污泥 550 ℃热解、900 ℃ CO2中活化 10 g/L 累积产气量降低7.98%，甲烷含量提高27.6% [18] 37 ℃ 稻杆 550 ℃热解、900 ℃ CO2中活化 10 g/L 累积产气量降低11.8%，甲烷含量提高131.0% 城市固废渗滤液 35 ℃ 木屑 700 ℃，2 h 6 g/L 累积甲烷产量提高24.4% [19] 水葫芦 35 ℃，35 d 牛粪 350 ℃，4 h 0.5%~1.5% 累积甲烷产量提高71.2%~156.7%，延滞期缩短33.3%~66.7% [20] 高粱 35 ℃ 麦秸 600 ℃ 5~20 g/L 累积甲烷产量提高25%，延滞期最高缩短44.0% [21] TS—占系统物料干重。

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生物炭具有比表面积高、导电性强、元素组成和表面官能团丰富等特性，在厌氧消化体系中主要通过缓解酸抑制、吸附抑制物、富集微生物、强化电子传递这4种机制强化消化进程，其作用机理如图 1所示^[23]。

图 1(Fig. 1)

图 1 生物炭强化厌氧消化机理图[23] Fig.1 Mechanistic diagram of biochar strength AD[23]

厌氧消化的稳定运行需维持水解、酸化、乙酸化和甲烷化4个阶段的动态平衡，但高有机负荷、高温等条件会导致挥发性脂肪酸(volatile fatty acids, VFAs)过量累积，降低pH，从而抑制产甲烷菌活性，造成产气效率低甚至系统运行崩溃。生物炭可缓解厌氧消化中的酸化现象，主要原因为生物炭所含碱金属使其在液相中呈碱性，可提高消化系统初期pH^[16]，并与表面官能团共同促进中间产物转化，增大系统的酸碱缓冲能力。有研究表明生物炭的碱性有助于平衡系统pH，促进系统中CO₂转化为CO₃^2-和HCO₃^-，加快甲烷生成^[24]，而表面官能团可捕获或释放H⁺提高消化系统的缓冲能力^[25-26]。Li等^[16]、Ma等^[21]的研究表明生物炭的表面官能团可有效中和VFAs，延缓消化过程中pH的快速下降，为甲烷菌提供适宜的酸碱环境，从而提升系统的缓冲容量及甲烷产率。然而，如何控制生物炭的热解条件以获得适宜的理化特性，增强生物炭对发酵系统的缓冲能力仍需进一步研究。

禽畜粪便、餐厨垃圾等的厌氧消化过程易产生过量氨氮，抑制微生物活性，影响系统的产气效果^[27]；禽畜粪便和污水污泥消化体系易富集重金属或产生H₂S，毒害微生物，降低沼渣作为有机肥料的再利用性及沼气纯度。生物炭的高比表面积和多孔结构可提供大量的活性吸附位点，其表面官能团具有良好的络合、离子交换能力，共同促使生物炭通过静电吸附、表面络合、共沉淀等途径吸附污染物^[28]，降低抑制物对厌氧消化的负面影响。宋柳莹^[29]报道了生物炭可缓解鸡粪序批式厌氧消化体系中的轻度氨抑制，并通过持续投加方式提升连续式消化体系中微生物的耐氨性，维系高氨氮浓度(9 800 mg/L)下系统的稳定运行。Cheng等^[30]的研究表明高比表面积和多孔结构赋予生物炭良好的氨氮吸附性能，与文献[31]的报道类似。生物炭对氨氮的吸附能力受原料类型和发酵条件影响。Xu等^[32]研究了不同原料生物炭，发现随着H/C比逐渐降低，相同条件下生物炭的氨氮吸附能力大小依次为稻杆>木屑>蛋壳。Huang等^[33]的研究表明中性pH下生物炭的吸附效果更好，氨氮去除率最高可达83.4%。当pH过低时，过多H⁺会与氨氮共同竞争生物炭表面的活性位点，降低氨氮吸附能力；而pH过高时，NH₄⁺易转化为对产甲烷菌抑制性更强的游离氨，加剧VFAs累积，导致发酵系统难以稳定运行。但也有部分研究称生物炭只能缓解轻度氨氮抑制，对高浓度氨氮抑制无明显改善效果^[34]。因此，生物炭对高氨氮厌氧系统的作用效果仍需进一步研究与验证。此外，部分研究称生物炭可有效吸附高硫底物消化系统初期释放的H₂S，缓解其对厌氧微生物的毒害性^[7]，并明显钝化粪畜污泥消化体系中的Cu、Zn等，降低沼渣中重金属的浸出风险^[35]。然而，当前关于生物炭对厌氧消化过程中H₂S和重金属等抑制物影响的报道较少，仍需开展更为深入的研究。

厌氧消化的高效、稳定运行依赖系统中微生物的生长代谢，而生物炭凭借其优越的理化性质可有效富集、活化微生物以强化消化性能，主要原因为生物炭表层的碳、氮及微量元素可提供微生物生长所需的营养元素，多孔结构为微生物提供大量的栖息地，活性基团和碱金属可去除抑制物并调节系统pH，为厌氧微生物提供适宜的生存环境。如张振等^[13]、潘君廷等^[27]通过电镜分析发现厌氧消化体系中生物炭孔隙和表面会附着大量杆菌、球菌，且部分微生物形成团聚体。此外，生物炭的微量元素作为微生物酶系统中辅酶、辅因子等的组成成分^[36]，可通过提升酶活性选择性地促进优势微生物富集。如Qi等^[37]报道生物炭中Fe、Co、Ni等微量元素可提高甲烷代谢相关基因的丰度及酶活性，促使优势产甲烷菌由甲烷杆菌属(Methanobacterium)转化为甲烷鬃毛菌属(Methanosaeta)，提高甲烷产量；Jiang等^[38]的研究表明生物炭可促进优势古菌由甲烷杆菌属转变为甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)，从而提高甲烷产量。因此，生物炭可作为载体富集活化微生物，提高厌氧消化体系的运行稳定性和产气能力。然而，虽已有大量关于生物炭对微生物种群分布及多样性的影响研究，但其富集微生物的主导途径及关键理化性质仍不清晰，还需深入研究。

氧化菌和产甲烷菌间的电子传递是厌氧消化体系重要的产甲烷途径，包括间接种间电子传递(mediated interspecies electron transfer, MIET)和直接种间电子传递(direct interspecies electron transfer, DIET)。其中，MIET指微生物利用氢、甲酸、腐殖质等作为载体在互营菌群间进行电子传递，分为种间氢转移途径(interspecies hydrogen transfer, IHT)、甲酸转移途径(interspecies formate transfer, IFT)和电子穿梭机制(微生物利用氧化还原性物质如腐殖质、核黄素等实现电子转移的途径)^[39]。但IHT、IFT受限于微生物氧化有机物产氢与氧化还原中间体如F₄₂₀/F₄₂₀-H₂、NAD⁺/NADH等相互转化的耦联性，仅在较低氢分压或甲酸浓度下才具有热力学可行性^[40]。DIET指微生物利用导电物质而无需载体协助直接实现微生物间的电子传递，具有更高的电子传递速率，包括利用自身导电菌毛、细胞色素蛋白及外源导电物质(如活性炭、磁铁矿等)介导这3种机制^{[14, 39]}。

生物炭良好的电化学活性使其可作为导电材料强化微生物间电子传递，提高厌氧消化效率，其作用机理如图 2所示^[39]。Wang等^[41]报道了高氧化还原官能团可使得生物炭作为电子穿梭介质间接促进供电菌紫单胞菌(Petrimonas)、厌氧绳菌(Anaerolineaceae)与产甲烷菌间的电子转移，提高厌氧消化性能。Yang等^[10]、Wang等^[41]的研究表明生物炭的高导电性可使其作为类似于碳布、磁铁矿的电子导管，减轻DIET中微生物对细胞色素蛋白的需求量，提高DIET相关互营微生物的丰度，提高厌氧消化效率。目前研究中已报道的生物炭促进形成DIET机制的相关互营微生物组合如表 2所示。此外，DIET会随生物炭导电性的提高而增强。Qi等^[37]报道高温下生物炭会形成石墨烯结构，导电性显著增大，可刺激形成DIET，产甲烷速率较低温生物炭高约20%。然而，生物炭究竟是作为电子穿梭介质刺激MIET或是作为电子导管刺激DIET以主导强化电子传递，目前仍未有准确定论。

图 2(Fig. 2)

图 2 生物炭强化电子传递[39] Fig.2 Enhanced electron transfer by biochar[39]

表 2(Table 2

表 2 生物炭促进形成DIET的互营微生物组合 Table 2 Biochar promotion of the syntrophic microorganisms capable of DIET 互营微生物组合 消化底物 生物炭种类 文献 Desulfovibrio-Methanothrix(脱硫弧菌-甲烷丝菌) 猪粪 稻杆 [10] Syntrophomonas-Methanosarcina(互营单胞菌-甲烷八叠球菌) 餐厨 木屑 [14] Geobacter metallireducens-Methanosaeta (金属还原地杆菌-甲烷鬃毛菌) 餐厨 锯末 [16] Geobacter sulfurreducens-Methanosaeta (硫还原地杆菌-甲烷鬃毛菌) 餐厨 锯末 [16] Anaerolineaceae-Methanosaeta(厌氧绳菌-甲烷鬃毛菌) 餐厨 木屑 [42] Geobacter-Methanosaeta(地杆菌-甲烷鬃毛菌) 餐厨 橘皮 [43] Pseudomonas-Methanosaeta(假单胞菌-甲烷鬃毛菌) 污泥 木屑 [44] Candidatus cloacimonas-Methanosaeta (念菌属-甲烷鬃毛菌) 污泥 木屑 [44] Desulfovibrio-Methanobacterium(脱硫弧菌-甲烷杆菌) 酸性 橙溶液 污泥 [45]

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生物炭优越的理化性质是其强化厌氧消化的基础，而热解条件如原料类型、温度等直接影响其理化性质。因此，探讨不同热解条件对生物炭理化性质的影响，有助于在研究中针对性地制备适宜性质的生物炭，促使应用效果最大化。

生物质热解时有机组分分解，逐渐形成复杂的孔隙结构，按孔径大小分为微孔(< 2 nm)、介孔(2~50 nm)和大孔(>50 nm)^[46]。其中，微孔尺寸与比表面积呈正相关，其与介孔共同影响生物炭的吸附能力，促使生物炭通过静电吸附、表面络合、共沉淀等途径去除厌氧消化体系中的抑制物；大孔为微生物提供栖息地，促进微生物富集以强化厌氧消化性能^[47]。

生物炭的空间结构受多种因素如原料类型、热解温度、停留时间等的影响，不同热解条件下得到的生物炭空间结构如表 3所示。其中，木质素热解倾向于形成大孔，纤维素倾向于形成微孔^[52]，故高木质纤维素含量生物炭具有更优越的孔隙结构。如在相同的热解条件下，稻杆、芦苇和木屑等木质纤维素生物炭的比表面积和孔容积显著高于蛋壳生物炭，而木屑生物炭的比表面积高于秸秆生物炭^{[32, 48]}。一般随着热解温度升高、停留时间延长，生物炭的比表面积和孔隙率增大，但若温度超出一定范围，比表面积会因多孔结构的坍塌而减小^[50-51]。此外，热解过程中存在的O₂会导致生物炭部分氧化，比表面积减小，而CO₂气氛中制备的生物炭的比表面积较N₂气氛下的高^[53]。因此，以木质纤维素为原料，严格控制厌氧条件和热解温度、适当延长停留时间，有助于生物炭形成良好的空间结构。

表 3(Table 3

表 3 不同热解条件下生物炭的空间结构 Table 3 Spatial structure of biochar with different pyrolysis conditions 原料 热解温度/℃ 停留时间/h 比表面积/(m2·g-1) 总孔容积/(cm3·g-1) 平均直径/nm 文献 麦秸 500 8 51.5 — — [48] 500 16 68.5 — — 700 8 378 — — 700 16 421 — — 榆木 500 8 62.5 — — [48] 500 16 240 — — 700 8 340 — — 700 16 355 — — 椰壳 500 8 52.8 — — [48] 500 16 8.75 — — 700 8 394 — — 700 16 448 — — 木屑 300 2 2.95 0.006 — [32] 500 2 379 0.233 — 700 2 595 0.278 — 芦苇 300 2 3.51 0.008 — [32] 500 2 131 0.106 — 700 2 442 0.415 — 蛋壳 300 2 2.03 0.004 — [32] 500 2 3.72 0.006 — 700 2 5.33 0.009 — 稻杆 300 2 5.90 0.022 — [32] 500 2 34.03 0.072 — [32] 700 2 123 0.190 — [32] 600 4 140 0.380 2.40 [49] 700 4 250 1.070 2.20 [49] 松木 500 4 428 0.440 1.8 [49] 700 4 463 0.770 1.9 猪粪 600 4 31.7 0.350 5.5 [49] 700 4 74.9 0.700 3.9 污泥 600 4 14.1 0.400 15.4 [49] 700 4 14.4 0.440 15.7 玉米秆 450 2 4.57 — 8.17 [50] 550 2 6.04 — 8.74 [50] 650 2 4.43 — 8.59 [50] 550 0.17 9.10 0.009 14.7 [51] 550 0.33 18.3 0.011 8.7 [51] —为文中未提及。

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生物炭以C、H、O、N等有机元素为主，并含有Si、Ca、K等无机元素及Mn、Zn、Cu等微量元素。其中，C元素包括无机碳(碳酸盐、重碳酸盐等)和有机碳(脂肪族碳、芳香族碳)^[54]，其与H、O等元素共同构成生物炭的基本骨架。无机元素和微量元素主要以氧化物和矿物盐的形式存在，为生物炭的重要碱性组分^[55]，有助于提高厌氧消化系统的缓冲能力，且微量元素作为辅酶、辅因子等的组成成分可刺激酶活性，维系消化系统的高效稳定运行^[56]。

生物炭的元素组成主要受原料和温度的影响，如表 4所示。其中，木质纤维素生物炭中C含量较高，禽畜粪便生物炭中N、P含量较高^[60]。袁帅等^[61]比较了不同原料生物炭的组成差异，发现碳含量大小依次为木质类>秸秆>粪污>污泥。因矿物质含量的差异，不同原料生物炭的灰分含量大小依次为污泥>粪便>秸秆>木质类^{[48, 57, 61]}。此外，随着热解温度升高，生物炭中无机碳转变为碳酸盐、碳酸氢盐，脂肪碳则随脱水、脱羧、芳构化等反应转化为稳定芳香碳。该过程中H、O含量随H₂O、H₂等挥发分的散失而减小，C则因热解过程中稳定芳香结构的形成损失率较低，含量整体呈增大趋势。同时，热解温度升高，有机物挥发、无机组分累积，生物炭的灰分含量增大^{[48, 62]}。因此，高热解温度有助于木质纤维素类原料形成稳定芳香结构的生物炭，禽畜粪污类原料生成高灰分生物炭。

表 4(Table 4

表 4 不同原料和温度下生物炭的元素组成 Table 4 Elemental composition of biochar using different raw materials and temperatures 原料 热解温度/℃ 含量*/% 文献 灰分 C H O N P K Na Ca Mg 竹木 500 2.80 38.40 — — 0.34 0.36 9.08 0.91 0.25 0.09 [48] 700 3.10 40.20 — — 0.21 0.41 11.40 0.70 0.29 0.12 稻杆 500 31.60 48.50 — — 1.06 5.02 13.40 1.92 1.12 0.33 [48] 700 40.30 43.80 — — 0.88 6.06 10.90 1.81 1.48 0.52 麦秸 500 22.20 53.60 — — 0.43 0.65 28.10 0.45 0.67 0.24 [48] 700 28.90 51.30 — — 0.37 0.99 26.80 0.92 0.85 0.31 玉米秆 500 28.80 50.50 — — 2.64 8.41 17.10 0.27 1.06 0.56 [48] 700 34.10 46.60 — — 1.66 8.13 16.40 0.30 0.63 0.28 稻壳 500 40.70 36.70 — — 0.92 2.39 3.02 0.07 0.33 0.13 [48] 700 46.80 39.40 — — 0.86 2.59 2.85 0.09 0.35 0.13 椰壳 500 7.30 52.70 — — 0.39 0.79 26.00 2.02 0.31 0.18 [48] 700 7.20 52.50 — — 0.19 0.63 23.90 2.05 0.31 0.21 花生壳 300 9.00 65.20 4.05 22.20 1.40 — — — — — [57] 500 12.30 75.90 2.69 12.10 1.21 — — — — — 松木屑 300 1.30 68.60 4.16 25.10 0.19 — — — — — [57] 500 2.20 86.40 3.18 14.20 0.24 — — — — — 新鲜牛粪 500 41.70 45.90 2.11 7.58 2.01 1.01 3.58 — — — [58] 污泥 600 84.00 8.15 0.48 4.78 0.37 — — — — — [59] *—某元素在给定生物炭中所占的总质量分数；—为文中未提及。

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生物炭丰富的表面官能团赋予其良好的吸附性、极性和氧化还原性，有助于去除厌氧消化体系中的抑制物、提高系统的缓冲能力。目前研究中已报道的特征官能团及对应波峰主要包括3 630 cm^-1处的O—H(酚醛/醇)、3 445 cm^-1处的O—H(氢键)、3 055 cm^-1处的C—H(芳香碳)、2 870 cm^-1处的C—H(脂肪碳)、1 710 cm^-1处的C=O(羧基)、1 480 cm^-1处的C=C(芳香碳/木质素)、1 120 cm^-1处的C—O—C(纤维素/半纤维素酯基)、1 049 cm^-1处的C—O—C(脂肪族基团/酸衍生物)和670 cm^-1处的苯基等^[63-64]。

生物炭表面官能团的种类和数量主要受原料种类和热解温度影响。如高新^[65]报道低温下木屑生物炭含有较多的脂肪族官能团，而牛粪生物炭具有更多的C—O结构；Sewu等^[63]报道稻杆与白菜生物炭均含有C=O(羧基)、C=C(芳香环)和苯基官能团，但稻杆生物炭中相应官能团的含量较低。此外，热解过程中生物炭的表面官能团会随着热解温度升高逐渐转变或消失。其中，对于木质纤维素类原料，热解时随着交联、重排、解聚等反应的发生，木质素、纤维素和半纤维素中的C=O、C—C等活性基团逐渐转化为酯基、酚醛基等芳香基团，H/C比值降低^[66]。生物炭中的含氧官能团则随热解温度的升高而减少，表面负电荷数量随之降低，O/C比值减小^{[50, 62]}，导致高温下生物炭的极性、亲水性和吸附能力减弱。因此，低温下易形成高含氧官能团生物炭，而高温下，尤其是以木质纤维素为原料时，有利于形成高含芳香官能团生物炭。

表面官能团和芳香结构赋予生物炭高的导电能力，使其可作为介导增强互营微生物间的电子交换，促使形成高电子传递效率的DIET机制，显著提升厌氧消化效率。其中，表面官能团如醌基、羧基等通过吸附或释放质子使生物炭具备氧化还原活性，可作为电子供体/受体促进电子转移^[67]，其氧化还原能力常用电子供给能力(electron-donating capacity, EDC)和电子接受能力(electron-accepting capacity, EAC)表征；芳香结构使生物炭可通过共轭π电子体系传输电子^[6]，即无需借助化学反应，生物炭自身即具备一定的导电性，这种电导性的大小用导电率(electric conductivity, EC)表征。

生物炭的导电能力主要受热解温度的影响，如表 5所示。一般低热解温度下生物炭的氧化还原官能团含量丰富，可通过氧化还原过程传递电子，促进微生物间的种间电子转移^[41]。但随着热解温度升高，生物炭的氧化还原官能团减少、固定碳含量增大，石墨化程度提高，导电性转变为以共轭π电子体系主导的电子传递为主，EC值增大^{[45, 68]}。Qi等^[37]报道了900 ℃下生物炭形成的石墨结构，此时EC值增大，刺激形成DIET，甲烷产率提高。马超然等^[6]的研究表明高热解温度下生物炭的导电性显著增大，电子传递效率是低热解温度下生物炭的3倍以上。此外，由于木质素含有丰富的芳环、醌基等活性基团，高温热解下更易形成稳定的芳香结构^[66]，因此，高木质素原料基生物炭的导电性更强。如高新^[65]报道在相同热解温度下，木屑生物炭的导电性高于牛粪生物炭。故而，选择木质纤维素类原料和高的热解温度，有助于制备高导电性生物炭。但热解温度过高会导致生物油、生物气等副产物增多，生物炭产率减小^[71]，所以研究中需综合考虑生物炭理化性质与产率的平衡性。

表 5(Table 5

表 5 不同热解温度下生物炭的导电能力 Table 5 Conductivity of biochar obtained at different pyrolysis temperatures 原料 热解温度/℃ O/C H/C EC/(μs·cm-1) EAC/(μmol·g-1) EDC/(μmol·g-1) 文献 活性污泥 600 — — 3.00×102 — — [45] 800 — — 8.00×102 — — 1000 — — 6.30×104 — — 木屑 300 0.553 0.851 5.20×10-5 1.14 0.542 [65] 500 0.437 0.456 1.20×10-1 6.19 0.382 700 0.322 0.243 2.50×104 0.143 0.305 牛粪 300 0.278 0.104 2.70×10-2 5.08 0.839 [65] 500 0.164 0.644 2.40×10-1 3.34 0.994 700 0.138 0.495 3.40×103 2.28 0.008 玉米秆 300 0.210 0.760 3.50×10-4 409 598 [68] 500 0.130 0.460 7.00×10-1 309 317 700 0.060 0.280 1.07×106 740 228 杏仁壳 400 12.78 6.92 1.52×103 — — [69] 500 12.02 6.63 1.70×103 — — 600 8.80 6.18 2.52×103 — — 坚果壳 400 18.18 8.45 3.01×102 — — [69] 500 16.92 8.19 4.06×102 — — 600 14.25 7.53 3.13×102 — — 木材 800~900 — — — 960 170 [70] —为文中未提及。

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生物炭成本低、可再生，且具有比表面积高、导电性强、表面官能团及元素构成丰富等理化特性，已作为一种良好的外源添加剂应用于厌氧消化体系。本文综述了当前生物炭对厌氧消化的作用效果及可能机制的研究进展，总结了以下4种强化机制：(1)生物炭丰富的微量元素、碱金属和表面官能团有利于缓解酸抑制；(2)生物炭的高比表面积、多孔结构和表面官能团赋予其良好的吸附能力，有利于去除抑制物；(3)生物炭发达的孔隙结构、丰富的营养元素和表面官能团可促使其作为载体富集活化微生物；(4)生物炭的电化学活性使其可强化电子传递，加快底物和中间产物转化以提高甲烷产率。此外，鉴于理化特性是生物炭强化厌氧消化的关键基础，本文整理了热解条件对生物炭理化特性的影响，有助于未来根据实际应用目标针对性地制备特定理化性质的生物炭，促使其强化效果最大化。

然而，虽已有众多有关生物炭强化厌氧消化的研究报道，但仍存在一些问题限制该技术的工程应用，使其仍处于实验阶段：(1)生物炭的吸附性具有非选择性，其吸附消化系统中的抑制物如氨氮、H₂S等时存在竞争现象，且其共吸附、解吸不同抑制物的效果及机理仍需深入研究；(2)生物炭良好的电化学活性使其可强化微生物间的电子传递，但其是作为电子穿梭介质刺激MIET，还是作为电子导管刺激DIET以主导强化电子传递仍未得到准确定论，尚需深入剖析；(3)生物炭对厌氧消化的作用存在4条强化机制，且机制与理化特性存在密切关联，但哪条强化机制占主导地位、涉及的关键理化特性类型及理化特性的理想范围仍未明确，需深入研究验证；(4)生物炭强化厌氧消化技术并未应用于实际工程，相关过程参数、作用效果、经济及环境效益需进一步研究与评价。