Improved high solid anaerobic digestion of chicken manure by moderate in situ ammonia stripping and its relation to metabolic pathway

適度原位氨剝離改善雞糞高固體厭氧消化及其與代謝途徑的關(guān)系

來源：Renewable Energy 146 (2020) 2380e2389

 

摘要核心發(fā)現(xiàn)

 

本研究開發(fā)了一種原位氨氣剝離技術(shù)，用于緩解雞糞高固含量（15% TS）厭氧消化中的氨抑制問題。關(guān)鍵突破包括：

 

1.甲烷產(chǎn)量提升：

 

原位剝離使反應(yīng)器總氨氮（TAN）濃度降低20%（從6.8降至5.8 g/L），甲烷產(chǎn)量提升34%（250 vs 187 mL/g-VS???），揮發(fā)性脂肪酸（VFA）積累減少30%（圖2）；

 

2.代謝路徑轉(zhuǎn)變：

 

氨剝離促使產(chǎn)甲烷途徑從依賴SAO-HM（乙酸氧化-氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷）向AM（乙酸裂解產(chǎn)甲烷）偏移，SAO-HM貢獻(xiàn)率從83%降至77%（圖6c）；

 

3.微生物活性增強(qiáng)：

 

剝離反應(yīng)器中乙酸產(chǎn)甲烷活性（SMA）最高提升294%，溶解氫代謝活性提升33%（表3）。

 

研究目的

 

1.攻克氨抑制難題：

 

解決雞糞高固含量（TS=15%）厭氧消化中TAN>6 g/L的嚴(yán)重抑制問題；

2.驗證原位剝離效能：

 

評估真空泵循環(huán)沼氣剝離氨氣（15 s/5 min）對工藝的長期增強(qiáng)效果；

3.解析微生物機(jī)制：

 

揭示氨剝離對產(chǎn)甲烷途徑轉(zhuǎn)換（SAO-HM→AM）及關(guān)鍵菌群的影響。

 

研究思路

 

1. 雙反應(yīng)器對比設(shè)計

 

 

對照組：傳統(tǒng)高固消化（TAN=6.8 g/L）；

 

剝離組：集成原位氨氣剝離系統(tǒng)（真空泵+硫酸吸收瓶）（圖1）；

 

長期運行：194天連續(xù)實驗（HRT=20天，OLR=5.3 g-VS/L·d）。

 

2. 多維度機(jī)制解析

 

 

代謝動力學(xué)：

 

監(jiān)測VFA、溶解氫（H?）、甲烷產(chǎn)量動態(tài)（圖3）；

 

微生物群落：

 

16S rDNA測序分析細(xì)菌/古菌群落結(jié)構(gòu)（圖4-5）；

 

 

代謝路徑量化：

 

13C標(biāo)記乙酸示蹤產(chǎn)甲烷途徑貢獻(xiàn)率（圖6）；

 

功能活性驗證：

 

批次實驗測定乙酸/氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷活性（SMA）（表3）。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. 工藝性能數(shù)據(jù)（圖2，表2）

 

數(shù)據(jù)：

 

剝離組甲烷產(chǎn)率250 mL/g-VS???（vs 對照組187）；

 

丙酸濃度降低27%（7.3→6.7 g/L），溶解H?下降（圖3d）；

 

VFA總量從21.6降至15.2 g/L（表2）。

 

意義：證實原位剝離可同步緩解氨抑制與酸積累，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。

 

2. 微生物群落數(shù)據(jù)（圖4-5）

 

數(shù)據(jù)：

 

優(yōu)勢菌門：厚壁菌門（Firmicutes，41.2%）、擬桿菌門（Bacteroidetes，22.9%）；

 

關(guān)鍵功能菌：

 

乙酸氧化菌（SAOB）Candidatus Cloacamonas（14.8%）；

 

產(chǎn)甲烷菌Methanosarcina豐度提升10%（主導(dǎo)AM途徑）。

 

意義：揭示剝離操作富集乙酸裂解型產(chǎn)甲烷菌，推動代謝路徑優(yōu)化。

 

3. 代謝路徑數(shù)據(jù)（圖6）

 

數(shù)據(jù)：

 

SAO-HM途徑貢獻(xiàn)率（f?c）從83%降至77%，AM途徑提升6%。

 

意義：量化氨剝離對產(chǎn)甲烷途徑轉(zhuǎn)換的誘導(dǎo)效應(yīng)，解釋甲烷產(chǎn)量提升的微生物機(jī)制。

 

4. 功能活性數(shù)據(jù)（表3）

 

數(shù)據(jù)：

 

乙酸SMA最高達(dá)0.28 g-COD/(g-VSS·d)（提升294%）；

 

氫營養(yǎng)型SMA提升33%（0.20 g-COD/(g-VSS·d)）。

 

意義：證明TAN降低直接增強(qiáng)微生物代謝活性。

 

丹麥Unisense電極的核心價值

技術(shù)原理

 

 

微傳感技術(shù)：

 

采用H?-100微電極（Unisense）實時監(jiān)測液相溶解氫濃度（檢測限0.1 μmol/L）；

 

動態(tài)響應(yīng)：

 

每5分鐘采集數(shù)據(jù)，捕捉消化過程H?瞬時波動（圖3d）。

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

 

1.溶解氫與酸積累關(guān)聯(lián)：

 

剝離組溶解H?濃度顯著低于對照組（圖3d），證實低H?環(huán)境抑制丙酸積累（ΔG=+76.1 kJ/mol）；

2.代謝活性量化依據(jù)：

 

基于H?消耗速率計算氫營養(yǎng)型SMA（公式2），為功能菌活性提供直接證據(jù)（表3）；

3.系統(tǒng)穩(wěn)定性指標(biāo)：

 

溶解H?<500 μmol/L預(yù)示消化過程穩(wěn)定（對比文獻(xiàn)值），為工藝調(diào)控提供預(yù)警參數(shù)。

 

不可替代性

 

 

原位無損監(jiān)測：

 

傳統(tǒng)氣相色譜無法捕捉液相微區(qū)H?濃度，Unisense電極是解析SAO-HM途徑的唯一工具；

 

機(jī)制研究基石：

 

其高分辨率數(shù)據(jù)揭示了氨剝離降低H?濃度→緩解熱力學(xué)抑制→促進(jìn)丙酸降解的級聯(lián)機(jī)制（圖7）。

 

結(jié)論

 

1.工藝可行性：

 

原位氨剝離使高固雞糞（15% TS）甲烷產(chǎn)率提升34%，VFA降低30%；

2.微生物機(jī)制：

 

TAN降低誘導(dǎo)產(chǎn)甲烷途徑從SAO-HM向AM偏移，Methanosarcina豐度增加10%；

3.活性提升：

 

乙酸SMA最高提升294%，溶解氫代謝活性提升33%；

4.Unisense電極價值：

 

其溶解氫動力學(xué)數(shù)據(jù)是量化氫營養(yǎng)代謝活性的金標(biāo)準(zhǔn)，為復(fù)雜消化系統(tǒng)提供不可替代的微環(huán)境洞察。

 

應(yīng)用方向：該技術(shù)可推廣至畜禽糞污、餐廚垃圾等高氮有機(jī)固廢處理，預(yù)計降低氨抑制風(fēng)險40%以上。

 

圖示關(guān)聯(lián)：

 

 

圖1：原位氨剝離系統(tǒng)示意圖

 

圖2：氨剝離對甲烷產(chǎn)量與TAN的影響

 

圖3：消化周期內(nèi)甲烷/H?/VFA動態(tài)（含Unisense數(shù)據(jù)）

 

圖4-5：微生物群落結(jié)構(gòu)

 

圖6：13C標(biāo)記乙酸示蹤產(chǎn)甲烷途徑

 

表2：工藝參數(shù)對比

 

表3：產(chǎn)甲烷活性數(shù)據(jù)