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

沼氣再循環氨氣剝離強化雞糞高固體厭氧消化中的高速甲烷生成及含氮組分轉化  

來源：Chemical Engineering Journal 498 (2024) 155744  

化學工程雜志  

 

摘要內容  

摘要指出，雞糞高固體厭氧消化（TS=20%）因高氮含量導致嚴重氨抑制（TAN>8 g/L），傳統稀釋法增加處理成本。本研究通過650天連續實驗，采用沼氣再循環氨氣剝離技術，將TAN從8.2 g/L降至3.0 g/L，顯著提升甲烷產率（0.3 L/g-VS），降低VFA積累（0.6 g/L）。該技術促進蛋白質分解（效率達60%），并揭示氨生成/去除動力學、微生物群落變化（如Proteiniphilum富集至40%）及碳氮平衡機制，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，通過沼氣再循環氨氣剝離技術降低TAN濃度，提升甲烷產率和系統穩定性，減少消化液體積，實現氮資源回收。  

 

研究思路  

分階段實驗設計：  

 

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

 

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

關鍵操作：  

 

反應器：CSTR（工作體積3L），剝離塔（1L），磷酸吸收氨。  

 

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

機制分析：  

 

動態監測24小時喂料周期內氨/VFA變化（圖4）。  

 

 

結合COD/氮平衡（圖5）、微生物群落（圖7）和產甲烷活性（圖6）解析強化機制。  

 

 

 

 

測量數據及研究意義  

常規參數：  

 

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）和系統穩定性（VFA<0.6 g/L）。  

 

 

 

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

動態過程數據：  

 

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

物料平衡：  

 

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

 

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

微生物與活性：  

 

SMA產甲烷活性（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（蛋白質降解菌）相對豐度從3.9%增至40%，Methanosarcina（耐氨產甲烷菌）成為優勢古菌（64.8%）。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義  

使用Unisense微傳感器（H2-500型）測量溶解H?濃度（圖6b），結合公式計算氫營養型產甲烷活性（SMA_H2）。其意義在于：  

直接反映種間氫轉移效率：溶解H?濃度變化量化了互營丙酸/乙酸氧化菌與氫營養型產甲烷菌（如Methanobacterium）的協同作用。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了氫營養途徑的代謝通量。  

 

解析丙酸降解機制：低溶解H?水平（<10 μM）是丙酸降解的關鍵驅動力。實驗測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%）直接關聯，證實系統無丙酸積累風險。  

 

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

 

結論  

技術可行性：沼氣再循環氨氣剝離使20% TS雞糞在HRT 60天、OLR 2.8 g-VS/(L·d)下穩定運行，甲烷產率達0.29 L/g-VS（理論值95%），VFA<0.6 g/L。  

 

機制創新：  

 

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

促進蛋白質分解（效率60%），關聯Proteiniphilum菌富集（40%）。  

 

氮回收率72%，以磷酸銨形式回收。  

應用價值：相比傳統稀釋法（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。