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

沼气再循环氨气剥离强化鸡粪高固体厌氧消化中的高速甲烷生成及含氮组分转化  

来源：Chemical Engineering Journal 498 (2024) 155744  

化学工程杂志  

 

摘要内容  

摘要指出，鸡粪高固体厌氧消化（TS=20%）因高氮含量导致严重氨抑制（TAN>8 g/L），传统稀释法增加处理成本。本研究通过650天连续实验，采用沼气再循环氨气剥离技术，将TAN从8.2 g/L降至3.0 g/L，显著提升甲烷产率（0.3 L/g-VS），降低VFA积累（0.6 g/L）。该技术促进蛋白质分解（效率达60%），并揭示氨生成/去除动力学、微生物群落变化（如Proteiniphilum富集至40%）及碳氮平衡机制，证明高固体鸡粪厌氧消化的可行性。  

 

研究目的  

解决鸡粪高固体厌氧消化（TS=20%）中氨抑制问题，通过沼气再循环氨气剥离技术降低TAN浓度，提升甲烷产率和系统稳定性，减少消化液体积，实现氮资源回收。  

 

研究思路  

分阶段实验设计：  

 

阶段I（1–204天）：无氨剥离，HRT=120天，验证高TS（20%）下的氨抑制问题。  

 

阶段II–V（205–650天）：引入沼气再循环氨气剥离，逐步缩短HRT（120天→40天），对比半连续/连续剥离效果。  

关键操作：  

 

反应器：CSTR（工作体积3L），剥离塔（1L），磷酸吸收氨。  

 

剥离条件：沼气循环速率1.0 L/(min·L_reactor)，消化液循环100 mL/min。  

机制分析：  

 

动态监测24小时喂料周期内氨/VFA变化（图4）。  

 

 

结合COD/氮平衡（图5）、微生物群落（图7）和产甲烷活性（图6）解析强化机制。  

 

 

 

 

测量数据及研究意义  

常规参数：  

 

TAN、FAN、pH、VFA（表2，图2c,d,e）：量化氨抑制缓解程度（TAN从8.0→3.0 g/L）和系统稳定性（VFA<0.6 g/L）。  

 

 

 

甲烷产率及组分（图2a,b）：证明剥离后甲烷产率提升至0.29 L/g-VS（HRT=60天）。  

动态过程数据：  

 

24小时喂料周期内氨/VFA/pH变化（图4b,c,e,f）：揭示氨生成高峰在喂料后0–10小时（主要来自尿酸分解），剥离速率达0.034 g/(L·h)。  

物料平衡：  

 

氮平衡（图5a–c）：72%的TAN被剥离回收，蛋白质分解贡献34%的TAN，尿酸完全降解。  

 

COD平衡（图5d–f）：70% COD转化为甲烷，92%可溶性COD被降解，证实高效底物转化。  

微生物与活性：  

 

SMA产甲烷活性（图6a,b）：剥离后乙酸分解活性提升1.3–2.9倍，溶解H₂代谢活性（SMA_H2）从0.044→0.42 g-COD/g-VSS·d。  

 

微生物群落（图7）：Proteiniphilum（蛋白质降解菌）相对丰度从3.9%增至40%，Methanosarcina（耐氨产甲烷菌）成为优势古菌（64.8%）。  

 

丹麦Unisense电极测量数据的研究意义  

使用Unisense微传感器（H2-500型）测量溶解H₂浓度（图6b），结合公式计算氢营养型产甲烷活性（SMA_H2）。其意义在于：  

直接反映种间氢转移效率：溶解H₂浓度变化量化了互营丙酸/乙酸氧化菌与氢营养型产甲烷菌（如Methanobacterium）的协同作用。氨剥离后SMA_H2提升近10倍（0.044→0.42 g-COD/g-VSS·d），表明缓解氨抑制显著增强了氢营养途径的代谢通量。  

 

解析丙酸降解机制：低溶解H₂水平（<10 μM）是丙酸降解的关键驱动力。实验测得剥离后丙酸浓度始终<0.1 g/L（图2f7），与SMA_H2提升和Pelotomaculum（互营丙酸氧化菌）富集（0.8%）直接关联，证实系统无丙酸积累风险。  

 

支撑代谢路径转换：高SMA_H2说明SAO（互营乙酸氧化）路径增强，与Methanosarcina（同时利用乙酸和H₂）成为优势菌一致，解释了高氨下乙酸仍被高效降解的原因（0.4 g/L，图2f6）。  

 

结论  

技术可行性：沼气再循环氨气剥离使20% TS鸡粪在HRT 60天、OLR 2.8 g-VS/(L·d)下稳定运行，甲烷产率达0.29 L/g-VS（理论值95%），VFA<0.6 g/L。  

 

机制创新：  

 

剥离降低TAN至3.0 g/L，解除对产甲烷菌抑制（SMA提升1.3–2.9倍）。  

促进蛋白质分解（效率60%），关联Proteiniphilum菌富集（40%）。  

 

氮回收率72%，以磷酸铵形式回收。  

应用价值：相比传统稀释法（TS<10%），减少消化液体积，为高固体鸡粪厌氧消化工程化提供基础。