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(guò)194天的連續(xù)投料實(shí)驗(yàn)，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?cè)谟泻蜎](méi)有氨氣剝離情況下對(duì)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(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷活性顯著增強(qiáng)。在總銨態(tài)氮范圍為5.8-6.8 g/L時(shí)，厚壁菌門、擬桿菌門和Cloacimonetes為優(yōu)勢(shì)菌群。甲烷八疊球菌屬是優(yōu)勢(shì)古菌，其相對(duì)豐度隨原位氨氣剝離而增加。通過(guò)2-13C穩(wěn)定同位素探針量化了有和沒(méi)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(shí)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(guò)程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1.引言

隨著中國(guó)畜禽業(yè)的快速發(fā)展，中國(guó)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(fèi)。在多種糞便處理途徑中，厭氧消化因其能夠?qū)⒂袡C(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣，同時(shí)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(jī)物，與報(bào)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(guò)3 g/L可能對(duì)產(chǎn)甲烷菌有毒，抑制厭氧消化過(guò)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(bào)道，即使長(zhǎng)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(shí)，雞糞厭氧消化是可行的。迄今為止，對(duì)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(bào)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(jì)有效的方式；然而，剝離預(yù)處理的氨排放使過(guò)程不夠環(huán)保。此外，常規(guī)剝離過(guò)程中浪費(fèi)了潛在的氨源。因此，在甲烷生產(chǎn)過(guò)程中同時(shí)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(shí)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(guò)程的效率。在該過(guò)程中，沼氣循環(huán)用于剝離氨氣，同時(shí)氨被回收到含有硫酸鹽或磷酸鹽的接收罐中。通過(guò)批次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在蛋白質(zhì)富集材料厭氧消化過(guò)程中原位氨氣剝離的可行性，其中在雞糞嗜熱厭氧消化過(guò)程中總銨態(tài)氮濃度降低了79%。同樣，一項(xiàng)針對(duì)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(cè)試中進(jìn)行的，底物有機(jī)物濃度低。原位氨氣剝離的增強(qiáng)效果尚未在長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)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(guò)程中起關(guān)鍵作用。據(jù)報(bào)道，當(dāng)總銨態(tài)氮超過(guò)3.0 g/L時(shí)，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(yíng)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(shí)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(bào)道，在乙酸濃度低于2.7 g/L時(shí)，通過(guò)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(shí)增加至62-80%。推測(cè)通過(guò)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(jī)制。

在本研究中，運(yùn)行了兩個(gè)并行的高固體雞糞厭氧消化器，其中一個(gè)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(duì)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(duì)總銨態(tài)氮濃度降低的響應(yīng)。此外，還評(píng)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(shí)驗(yàn)裝置和原料

運(yùn)行了兩個(gè)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(duì)照消化器沒(méi)有。每個(gè)消化器有效容積為12 L，它們通過(guò)機(jī)械連續(xù)攪拌，轉(zhuǎn)速為100 rpm。溫度通過(guò)水浴循環(huán)維持在37°C。原位氨氣剝離系統(tǒng)包括一個(gè)帶時(shí)間控制器的真空泵、一個(gè)裝有800 ml 5 M硫酸的氨吸收瓶和一個(gè)裝有800 ml水的水瓶。后一個(gè)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(yùn)行15秒，沼氣流量為2 L/min。兩個(gè)消化器均在hydraulic retention time為20天和有機(jī)負(fù)荷率為5.3 g-VS/(L·d)下運(yùn)行。沼氣收集在袋中并通過(guò)沼氣表測(cè)量。過(guò)程中定期測(cè)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(gè)蛋雞養(yǎng)殖場(chǎng)收集。作為投料前，糞便用自來(lái)水稀釋至總固體15%（w/w）后儲(chǔ)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。