在能将大量生物基废物转化为可取代化石燃料的可再生能源的技术中，厌氧消化（AD）被认为是回收从生物废物中释放的能量的一种潜在方法，已在小规模内广泛实施。AD主要在缺氧的环境中由许多古细菌和微生物进行。AD过程中的微生物活性总是被不利因素破坏，导致能量恢复效率低下，而生物炭等支撑材料的多孔表面可提供微生物可以附着的理想基质，可提高生物废物的消化率，并减少消化的启动时间。因此，碳质添加剂被用于改善AD的发展阶段。将剩余的作物残留物转化为生物炭和其他碳材料是减少二氧化碳排放的潜在方法，然而，人们对作物残留物的生物炭生产过程及其在AD系统中的应用，以及生物炭与AD系统中组分之间的关键机制和核心相互作用的了解有限。

因此，HUTECH University的Anh Tuan Hoang等人对作物秸秆生产生物炭及其在AD系统中的应用提出了独特见解并确定生物炭在调节和影响AD系统性能的机制方面存在的重大困难并提出有效的解决方案。

图2.由纤维素生物质形成生物炭的机理

图1.利用生物质残渣生产生物炭的技术

生物炭的产生有多种技术，如气化、热解、热液炭化和烘烤等，如图1所示。中间热解、慢热解和快速热解是基于停留时间、加热速率、压力、温度等影响作物残留物生产生物炭的因素。快速热解产生的生物炭的产率通常很低，缓慢的热解需要较长的停留时间以及较慢的加热速率，中间热解的生物油产率高于快速热解，但由于气体和液体产物的产率较高，该工艺很少用于生产生物炭。生物质的水热碳化（HTC）是一种热技术，与缓慢热解相比，水热液炭化产生的生物炭具有酸性生物炭，碳含量更高，具有更高的表面电荷和更多的含氧官能团。Torrefaction也被称为温和热解;对于木质纤维素生物质，它还需要脱挥发半纤维素，木质素和纤维素作为温度的函数。

图3.(a) -利用生物炭提高厌氧消化系统稳定性的化学和物理机制；(b) -生物炭通过直接种间电子转移机制支持下的厌氧消化过程的甲烷生成途径。（挥发性脂肪酸简称VFA；游离氨简称FAN）

由于VFA的积累或有机过载，AD系统很容易进入不稳定状态。例如，在AD过程中，过量的VFA会减缓甲烷生成，甚至损害厌氧过程。此时，生物炭作为一种添加剂，可以有效促进AD过程中VFA的降解，从而缓解VFA抑制的问题（图3a）。因为生物炭的生物炭优越的电子转移能力减轻了对甲烷生成的抑制作用，有效恢复了沼气生成，减少滞后时间，提高甲烷的产量。

图3b中Wang等人曾通过添加生物炭衍生的锯屑，完成了高酸化AD过程的产甲烷恢复，且VFA积累量高（58 g COD/L）。添加生物炭可以在增加甲烷合成之前的产甲烷滞后时间内，使pH水平从6.7提高到7.2。因此，在AD过程中添加生物炭可以显著提高甲烷和酸生成速率之间的平衡，导致甲烷生成滞后阶段减少38.0 %，甲烷产量增加70.6%。

甲烷生成也被认为是在一个稳定的长期运行的AD系统中产生碱度的过程；因此，它可能在一定程度上抵消了VFA积累引起的pH还原电位。因此，评估生物炭如何在稳定的产甲烷活性下提高缓冲能力，对于长期运行的AD系统非常重要。为了确保生物炭成功地掺入AD体系，有必要了解生物炭的作用和机制，以及添加生物炭对提高AD过程运行效率的相关反应。

将从作物残留物中生产生物炭的其他热加工整合到AD和消化液中，可以提高净能源的产生，并增加环境和经济优势。根据生物炭生产和应用的生命周期评估，由作物残留物来源的生物炭修正的AD系统可以提供环境效益。

生物炭可以通过增加甲烷产量、稳定系统pH、支持微生物群落和隔离污染物来显著提高厌氧消化系统的性能。这些改进归因于生物炭的固有特性，包括其高孔隙率和表面积，表面功能，碱度，以及与厌氧菌的良好相互作用，促进生物降解。若需要进行广泛的商业化，需要进一步的研究来回答几个关键问题，包括：(1)哪些基本的生物炭特性介导系统性能，以及通过什么机制？(2)是否有一个最佳的生物量与底物比可以提高AD，或者抑制AD？(3)这种方法的技术经济机会和局限性是什么？