摘要

厭氧消化是一種有前景的雞糞處理技術，但由于高濃度銨態氮引起的抑制，其應用存在局限性。本研究通過194天的連續投料實驗，研究了雞糞高固體厭氧消化的甲烷產率和產甲烷途徑，以及它們在有和沒有氨氣剝離情況下對總銨態氮變化的響應。結果表明，適度的原位氨氣剝離使總銨態氮降低了20%，揮發性脂肪酸降低了30%。甲烷產率提高了34%，乙酸裂解和氫營養型產甲烷活性顯著增強。在總銨態氮范圍為5.8-6.8 g/L時，厚壁菌門、擬桿菌門和Cloacimonetes為優勢菌群。甲烷八疊球菌屬是優勢古菌，其相對豐度隨原位氨氣剝離而增加。通過2-13C穩定同位素探針量化了有和沒有剝離情況下產甲烷途徑的轉變，并與微生物群落變化一致。原位氨氣剝離所實現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用奠定了基礎。

1.引言

隨著中國畜禽業的快速發展，中國每年畜禽糞便產量達38億噸。糞便的利用效率通常低于60%，可能導致環境污染和資源浪費。在多種糞便處理途徑中，厭氧消化因其能夠將有機物轉化為沼氣，同時產生化學需氧量更低的高質量生物肥料而發揮重要作用。特別是高固體厭氧消化，即投料總固體大于15%，是生產能源和減少消化物體積的最有前景的技術之一，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潛力。然而，這類糞便中的高氮含量經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（約30%），在相互依賴的降解步驟中易轉化為氨氮，導致厭氧微生物抑制。通常，總銨態氮濃度超過3 g/L可能對產甲烷菌有毒，抑制厭氧消化過程，從而降低反應器的潛在甲烷產率。許多研究表明，產甲烷菌接種物具有高氨適應潛力，但據報道，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，包括：與低氮材料共消化和氨氣剝離預處理。氨氣剝離被視為一種經濟有效的方式；然而，剝離預處理的氨排放使過程不夠環保。此外，常規剝離過程中浪費了潛在的氨源。因此，在甲烷生產過程中同時去除和回收氨氮被認為是最有效的策略，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氮濃度降低了79%。同樣，一項針對蒸餾廢水的連續研究顯示總銨態氮濃度成功降低了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。

產甲烷菌在厭氧消化過程中起關鍵作用。據報道，當總銨態氮超過3.0 g/L時，甲烷形成途徑從乙酸裂解產甲烷轉向互養乙酸氧化耦合氫營養型產甲烷。中溫消化器在總銨態氮范圍3.0-3.3 g/L時顯示SAO-HM途徑占主導，且觀察到互養乙酸氧化細菌豐度增加以響應更高的總銨態氮。此外，總銨態氮濃度增加導致揮發性脂肪酸濃度激增。高揮發性脂肪酸也可能導致產甲烷途徑從乙酸裂解產甲烷轉向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減少揮發性脂肪酸，可能明顯影響微生物群落結構、產甲烷途徑和微生物活性。在此基礎上，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。本研究的目的是首先研究原位氨氣剝離系統對產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構和微生物代謝途徑及其對總銨態氮濃度降低的響應。此外，還評估了特異性產甲烷活性（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，而對照消化器沒有。每個消化器有效容積為12 L，它們通過機械連續攪拌，轉速為100 rpm。溫度通過水浴循環維持在37°C。原位氨氣剝離系統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、總銨態氮、揮發性脂肪酸和堿度。

雞糞從北京一個蛋雞養殖場收集。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。