High rate methanogenesis and nitrogenous component transformation in the high-solids anaerobic digestion of chicken manure enhanced by biogas recirculation ammonia stripping  

沼氣再循環(huán)氨氣剝離強(qiáng)化雞糞高固體厭氧消化中的高速甲烷生成及含氮組分轉(zhuǎn)化  

來源：Chemical Engineering Journal 498 (2024) 155744  

化學(xué)工程雜志  

 

摘要內(nèi)容  

摘要指出，雞糞高固體厭氧消化（TS=20%）因高氮含量導(dǎo)致嚴(yán)重氨抑制（TAN>8 g/L），傳統(tǒng)稀釋法增加處理成本。本研究通過650天連續(xù)實(shí)驗(yàn)，采用沼氣再循環(huán)氨氣剝離技術(shù)，將TAN從8.2 g/L降至3.0 g/L，顯著提升甲烷產(chǎn)率（0.3 L/g-VS），降低VFA積累（0.6 g/L）。該技術(shù)促進(jìn)蛋白質(zhì)分解（效率達(dá)60%），并揭示氨生成/去除動(dòng)力學(xué)、微生物群落變化（如Proteiniphilum富集至40%）及碳氮平衡機(jī)制，證明高固體雞糞厭氧消化的可行性。  

 

研究目的  

解決雞糞高固體厭氧消化（TS=20%）中氨抑制問題，通過沼氣再循環(huán)氨氣剝離技術(shù)降低TAN濃度，提升甲烷產(chǎn)率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少消化液體積，實(shí)現(xiàn)氮資源回收。  

 

研究思路  

分階段實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

 

階段I（1–204天）：無氨剝離，HRT=120天，驗(yàn)證高TS（20%）下的氨抑制問題。  

 

階段II–V（205–650天）：引入沼氣再循環(huán)氨氣剝離，逐步縮短HRT（120天→40天），對(duì)比半連續(xù)/連續(xù)剝離效果。  

關(guān)鍵操作：  

 

反應(yīng)器：CSTR（工作體積3L），剝離塔（1L），磷酸吸收氨。  

 

剝離條件：沼氣循環(huán)速率1.0 L/(min·L_reactor)，消化液循環(huán)100 mL/min。  

機(jī)制分析：  

 

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)24小時(shí)喂料周期內(nèi)氨/VFA變化（圖4）。  

 

 

結(jié)合COD/氮平衡（圖5）、微生物群落（圖7）和產(chǎn)甲烷活性（圖6）解析強(qiáng)化機(jī)制。  

 

 

 

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義  

常規(guī)參數(shù)：  

 

TAN、FAN、pH、VFA（表2，圖2c,d,e）：量化氨抑制緩解程度（TAN從8.0→3.0 g/L）和系統(tǒng)穩(wěn)定性（VFA<0.6 g/L）。  

 

 

 

甲烷產(chǎn)率及組分（圖2a,b）：證明剝離后甲烷產(chǎn)率提升至0.29 L/g-VS（HRT=60天）。  

動(dòng)態(tài)過程數(shù)據(jù)：  

 

24小時(shí)喂料周期內(nèi)氨/VFA/pH變化（圖4b,c,e,f）：揭示氨生成高峰在喂料后0–10小時(shí)（主要來自尿酸分解），剝離速率達(dá)0.034 g/(L·h)。  

物料平衡：  

 

氮平衡（圖5a–c）：72%的TAN被剝離回收，蛋白質(zhì)分解貢獻(xiàn)34%的TAN，尿酸完全降解。  

 

COD平衡（圖5d–f）：70% COD轉(zhuǎn)化為甲烷，92%可溶性COD被降解，證實(shí)高效底物轉(zhuǎn)化。  

微生物與活性：  

 

SMA產(chǎn)甲烷活性（圖6a,b）：剝離后乙酸分解活性提升1.3–2.9倍，溶解H?代謝活性（SMA_H2）從0.044→0.42 g-COD/g-VSS·d。  

 

微生物群落（圖7）：Proteiniphilum（蛋白質(zhì)降解菌）相對(duì)豐度從3.9%增至40%，Methanosarcina（耐氨產(chǎn)甲烷菌）成為優(yōu)勢(shì)古菌（64.8%）。  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義  

使用Unisense微傳感器（H2-500型）測(cè)量溶解H?濃度（圖6b），結(jié)合公式計(jì)算氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷活性（SMA_H2）。其意義在于：  

直接反映種間氫轉(zhuǎn)移效率：溶解H?濃度變化量化了互營丙酸/乙酸氧化菌與氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌（如Methanobacterium）的協(xié)同作用。氨剝離后SMA_H2提升近10倍（0.044→0.42 g-COD/g-VSS·d），表明緩解氨抑制顯著增強(qiáng)了氫營養(yǎng)途徑的代謝通量。  

 

解析丙酸降解機(jī)制：低溶解H?水平（<10 μM）是丙酸降解的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。實(shí)驗(yàn)測(cè)得剝離后丙酸濃度始終<0.1 g/L（圖2f7），與SMA_H2提升和Pelotomaculum（互營丙酸氧化菌）富集（0.8%）直接關(guān)聯(lián)，證實(shí)系統(tǒng)無丙酸積累風(fēng)險(xiǎn)。  

 

支撐代謝路徑轉(zhuǎn)換：高SMA_H2說明SAO（互營乙酸氧化）路徑增強(qiáng)，與Methanosarcina（同時(shí)利用乙酸和H?）成為優(yōu)勢(shì)菌一致，解釋了高氨下乙酸仍被高效降解的原因（0.4 g/L，圖2f6）。  

 

結(jié)論  

技術(shù)可行性：沼氣再循環(huán)氨氣剝離使20% TS雞糞在HRT 60天、OLR 2.8 g-VS/(L·d)下穩(wěn)定運(yùn)行，甲烷產(chǎn)率達(dá)0.29 L/g-VS（理論值95%），VFA<0.6 g/L。  

 

機(jī)制創(chuàng)新：  

 

剝離降低TAN至3.0 g/L，解除對(duì)產(chǎn)甲烷菌抑制（SMA提升1.3–2.9倍）。  

促進(jìn)蛋白質(zhì)分解（效率60%），關(guān)聯(lián)Proteiniphilum菌富集（40%）。  

 

氮回收率72%，以磷酸銨形式回收。  

應(yīng)用價(jià)值：相比傳統(tǒng)稀釋法（TS<10%），減少消化液體積，為高固體雞糞厭氧消化工程化提供基礎(chǔ)。