摘要

厭氧消化是一種有前景的雞糞處理技術(shù)，但由于高濃度銨態(tài)氮引起的抑制，其應(yīng)用存在局限性。本研究通過194天的連續(xù)投料實驗，研究了雞糞高固體厭氧消化的甲烷產(chǎn)率和產(chǎn)甲烷途徑，以及它們在有和沒有氨氣剝離情況下對總銨態(tài)氮變化的響應(yīng)。結(jié)果表明，適度的原位氨氣剝離使總銨態(tài)氮降低了20%，揮發(fā)性脂肪酸降低了30%。甲烷產(chǎn)率提高了34%，乙酸裂解和氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷活性顯著增強。在總銨態(tài)氮范圍為5.8-6.8 g/L時，厚壁菌門、擬桿菌門和Cloacimonetes為優(yōu)勢菌群。甲烷八疊球菌屬是優(yōu)勢古菌，其相對豐度隨原位氨氣剝離而增加。通過2-13C穩(wěn)定同位素探針量化了有和沒有剝離情況下產(chǎn)甲烷途徑的轉(zhuǎn)變，并與微生物群落變化一致。原位氨氣剝離所實現(xiàn)的積極效果為其在富氮和高固體材料處理管理中的厭氧消化過程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1.引言

隨著中國畜禽業(yè)的快速發(fā)展，中國每年畜禽糞便產(chǎn)量達(dá)38億噸。糞便的利用效率通常低于60%，可能導(dǎo)致環(huán)境污染和資源浪費。在多種糞便處理途徑中，厭氧消化因其能夠?qū)⒂袡C物轉(zhuǎn)化為沼氣，同時產(chǎn)生化學(xué)需氧量更低的高質(zhì)量生物肥料而發(fā)揮重要作用。特別是高固體厭氧消化，即投料總固體大于15%，是生產(chǎn)能源和減少消化物體積的最有前景的技術(shù)之一，而消化物處理非常困難。雞糞富含有機物，與報道的豬糞和牛糞值相比，具有更高的沼氣生產(chǎn)潛力。然而，這類糞便中的高氮含量經(jīng)常限制高固體厭氧消化的效率。

雞糞含有尿酸（約70%）和蛋白質(zhì)（約30%），在相互依賴的降解步驟中易轉(zhuǎn)化為氨氮，導(dǎo)致厭氧微生物抑制。通常，總銨態(tài)氮濃度超過3 g/L可能對產(chǎn)甲烷菌有毒，抑制厭氧消化過程，從而降低反應(yīng)器的潛在甲烷產(chǎn)率。許多研究表明，產(chǎn)甲烷菌接種物具有高氨適應(yīng)潛力，但據(jù)報道，即使長期馴化，高固體底物的氨抑制不利影響也難以緩解。為了最小化氨抑制，當(dāng)投料總固體濃度小于等于10%時，雞糞厭氧消化是可行的。迄今為止，對雞糞高固體厭氧消化的研究有限，且在這種條件下成功的報道很少。

為了克服厭氧消化的氨抑制，已提出一些技術(shù)，包括：與低氮材料共消化和氨氣剝離預(yù)處理。氨氣剝離被視為一種經(jīng)濟有效的方式；然而，剝離預(yù)處理的氨排放使過程不夠環(huán)保。此外，常規(guī)剝離過程中浪費了潛在的氨源。因此，在甲烷生產(chǎn)過程中同時去除和回收氨氮被認(rèn)為是最有效的策略，以最小化氨抑制并同時增加厭氧消化的收益。隨后提出了原位氨氣剝離以提高厭氧過程的效率。在該過程中，沼氣循環(huán)用于剝離氨氣，同時氨被回收到含有硫酸鹽或磷酸鹽的接收罐中。通過批次實驗驗證了在蛋白質(zhì)富集材料厭氧消化過程中原位氨氣剝離的可行性，其中在雞糞嗜熱厭氧消化過程中總銨態(tài)氮濃度降低了79%。同樣，一項針對蒸餾廢水的連續(xù)研究顯示總銨態(tài)氮濃度成功降低了1.1 g/L。然而，這些研究是在短期測試中進(jìn)行的，底物有機物濃度低。原位氨氣剝離的增強效果尚未在長期實驗中使用高固體底物在厭氧消化中得到證明。

產(chǎn)甲烷菌在厭氧消化過程中起關(guān)鍵作用。據(jù)報道，當(dāng)總銨態(tài)氮超過3.0 g/L時，甲烷形成途徑從乙酸裂解產(chǎn)甲烷轉(zhuǎn)向互養(yǎng)乙酸氧化耦合氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷。中溫消化器在總銨態(tài)氮范圍3.0-3.3 g/L時顯示SAO-HM途徑占主導(dǎo)，且觀察到互養(yǎng)乙酸氧化細(xì)菌豐度增加以響應(yīng)更高的總銨態(tài)氮。此外，總銨態(tài)氮濃度增加導(dǎo)致?lián)]發(fā)性脂肪酸濃度激增。高揮發(fā)性脂肪酸也可能導(dǎo)致產(chǎn)甲烷途徑從乙酸裂解產(chǎn)甲烷轉(zhuǎn)向SAO-HM。先前研究報道，在乙酸濃度低于2.7 g/L時，通過SAO-HM的甲烷生產(chǎn)占13%-41%，但這些值在乙酸濃度3.9-6 g/L時增加至62-80%。推測通過原位剝離去除氨氮alongside減少揮發(fā)性脂肪酸，可能明顯影響微生物群落結(jié)構(gòu)、產(chǎn)甲烷途徑和微生物活性。在此基礎(chǔ)上，研究微生物的組成和功能可以更好地理解雞糞高固體甲烷發(fā)酵的機制。

在本研究中，運行了兩個并行的高固體雞糞厭氧消化器，其中一個配備了原位氨氣剝離系統(tǒng)。本研究的目的是首先研究原位氨氣剝離系統(tǒng)對產(chǎn)甲烷性能改善的影響，其次揭示雞糞高固體厭氧消化的微生物群落結(jié)構(gòu)和微生物代謝途徑及其對總銨態(tài)氮濃度降低的響應(yīng)。此外，還評估了特異性產(chǎn)甲烷活性（乙酸和溶解氫）。

2.材料與方法

2.1.實驗裝置和原料

運行了兩個并行的中溫厭氧消化器，用于雞糞的高固體（基于總固體15%）消化。在圖1中，剝離消化器配備了原位氨氣剝離系統(tǒng)，而對照消化器沒有。每個消化器有效容積為12 L，它們通過機械連續(xù)攪拌，轉(zhuǎn)速為100 rpm。溫度通過水浴循環(huán)維持在37°C。原位氨氣剝離系統(tǒng)包括一個帶時間控制器的真空泵、一個裝有800 ml 5 M硫酸的氨吸收瓶和一個裝有800 ml水的水瓶。后一個瓶用于防止硫酸逃逸到消化器。

圖1. 裝置示意圖

氨氣剝離泵以中等速率每5分鐘循環(huán)運行15秒，沼氣流量為2 L/min。兩個消化器均在hydraulic retention time為20天和有機負(fù)荷率為5.3 g-VS/(L·d)下運行。沼氣收集在袋中并通過沼氣表測量。過程中定期測量氣體組成、pH值、總銨態(tài)氮、揮發(fā)性脂肪酸和堿度。

雞糞從北京一個蛋雞養(yǎng)殖場收集。作為投料前，糞便用自來水稀釋至總固體15%（w/w）后儲存在4°C房間中。接種物從先前研究中使用的中溫雞糞消化器中收集。投料和接種物的特性如表1所示。