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系

來源：Renewable Energy 146 (2020) 2380e2389

 

摘要核心發現

 

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

 

1.甲烷產量提升：

 

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

 

2.代謝路徑轉變：

 

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

 

3.微生物活性增強：

 

剝離反應器中乙酸產甲烷活性（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的嚴重抑制問題；

2.驗證原位剝離效能：

 

評估真空泵循環沼氣剝離氨氣（15 s/5 min）對工藝的長期增強效果；

3.解析微生物機制：

 

揭示氨剝離對產甲烷途徑轉換（SAO-HM→AM）及關鍵菌群的影響。

 

研究思路

 

1. 雙反應器對比設計

 

 

對照組：傳統高固消化（TAN=6.8 g/L）；

 

剝離組：集成原位氨氣剝離系統（真空泵+硫酸吸收瓶）（圖1）；

 

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

 

2. 多維度機制解析

 

 

代謝動力學：

 

監測VFA、溶解氫（H?）、甲烷產量動態（圖3）；

 

微生物群落：

 

16S rDNA測序分析細菌/古菌群落結構（圖4-5）；

 

 

代謝路徑量化：

 

13C標記乙酸示蹤產甲烷途徑貢獻率（圖6）；

 

功能活性驗證：

 

批次實驗測定乙酸/氫營養型產甲烷活性（SMA）（表3）。

 

關鍵數據及研究意義

1. 工藝性能數據（圖2，表2）

 

數據：

 

剝離組甲烷產率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，提升系統穩定性。

 

2. 微生物群落數據（圖4-5）

 

數據：

 

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

 

關鍵功能菌：

 

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

 

產甲烷菌Methanosarcina豐度提升10%（主導AM途徑）。

 

意義：揭示剝離操作富集乙酸裂解型產甲烷菌，推動代謝路徑優化。

 

3. 代謝路徑數據（圖6）

 

數據：

 

SAO-HM途徑貢獻率（f?c）從83%降至77%，AM途徑提升6%。

 

意義：量化氨剝離對產甲烷途徑轉換的誘導效應，解釋甲烷產量提升的微生物機制。

 

4. 功能活性數據（表3）

 

數據：

 

乙酸SMA最高達0.28 g-COD/(g-VSS·d)（提升294%）；

 

氫營養型SMA提升33%（0.20 g-COD/(g-VSS·d)）。

 

意義：證明TAN降低直接增強微生物代謝活性。

 

丹麥Unisense電極的核心價值

技術原理

 

 

微傳感技術：

 

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

 

動態響應：

 

每5分鐘采集數據，捕捉消化過程H?瞬時波動（圖3d）。

 

關鍵發現

 

1.溶解氫與酸積累關聯：

 

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

2.代謝活性量化依據：

 

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

3.系統穩定性指標：

 

溶解H?<500 μmol/L預示消化過程穩定（對比文獻值），為工藝調控提供預警參數。

 

不可替代性

 

 

原位無損監測：

 

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

 

機制研究基石：

 

其高分辨率數據揭示了氨剝離降低H?濃度→緩解熱力學抑制→促進丙酸降解的級聯機制（圖7）。

 

結論

 

1.工藝可行性：

 

原位氨剝離使高固雞糞（15% TS）甲烷產率提升34%，VFA降低30%；

2.微生物機制：

 

TAN降低誘導產甲烷途徑從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：

 

其溶解氫動力學數據是量化氫營養代謝活性的金標準，為復雜消化系統提供不可替代的微環境洞察。

 

應用方向：該技術可推廣至畜禽糞污、餐廚垃圾等高氮有機固廢處理，預計降低氨抑制風險40%以上。

 

圖示關聯：

 

 

圖1：原位氨剝離系統示意圖

 

圖2：氨剝離對甲烷產量與TAN的影響

 

圖3：消化周期內甲烷/H?/VFA動態（含Unisense數據）

 

圖4-5：微生物群落結構

 

圖6：13C標記乙酸示蹤產甲烷途徑

 

表2：工藝參數對比

 

表3：產甲烷活性數據