通过共消化和沼气分离技术减少鸡粪厌氧消化过程中氨的积累

《Bioresource Technology Reports》：Reduction of ammonia accumulation in anaerobic digestion of chicken manure by co-digestion and biogas-stripping

鸡粪高固体厌氧消化通过在位氨氮 stripping 和共消化策略有效抑制氨氮积累，提升甲烷产量。实验表明，集成工艺使总挥发性脂肪酸浓度降低52%，甲烷产量提升37%（较无处理）和39%（较单纯共消化）。该技术为高氨氮有机废物处理提供了新范式。

　　

斯内哈·普拉卡什·奈克（Sneha Prakash Naik）| 维诺斯·库马尔·波努萨米（Vinoth Kumar Ponnusamy）| 戈帕拉克里希南·库马尔（Gopalakrishnan Kumar）| 曹庆红（Cing-Hong Yang）| 蔡培坚（Pei-Chien Tsai）| 林秋月（Chiu-Yue Lin）| 冈达·莫哈纳克里希纳（Gunda Mohanakrishna）| 莱智豪（Chyi-How Lay）

印度卡纳塔克邦胡巴利市KLE技术大学高等科学学院能源与环境中心，邮编580031

摘要

高固体含量的鸡粪（CM）的厌氧消化通常受到氨氮积累的制约，这会影响微生物活性和甲烷产量（MY）（参考文献：Wang等人，2019年；Chen等人，2025年）。本研究开发了一种策略，通过回收脱氨后的沼气并进行共消化处理，在半连续搅拌反应器（semi-CSTR）中以鸡粪为原料（总固体含量为10%）来减少氨氮积累并提高甲烷产量。实验结果表明，该策略能够提高水解效率，并分别降低总氨氮、游离氨氮和总挥发性脂肪酸（TVFA）的浓度11%、14%和20%。与不进行脱氨处理相比，可溶性化学需氧量（SCOD）的去除效率以及甲烷产量分别提高了23%和37%。在结合原位氨脱氨和共消化处理的综合研究中，通过添加辅底物（葡萄糖、葵花籽油和蛋白胨），并利用中心复合设计（CCD）模型进行优化，使得沼气产量和甲烷产量比不进行脱氨处理时分别提高了39%和21%。该过程还显示出较低的TVFA浓度，表明代谢物向甲烷生产的转化效率较高。这项技术可用于高氨含量的废弃物/废水的处理。

引言

全球范围内，城市化和工业化的快速发展迫切需要寻找替代的可再生能源来应对即将到来的能源危机。化石燃料的过度使用加剧了全球气候变化，导致环境恶化，并对社会经济活动产生了影响（Naik和Mohanakrishna，2024年）。另一方面，对富含蛋白质的食品的高市场需求推动了过去二十年家禽养殖业的蓬勃发展。根据美国农业部外国农业服务局的全球市场分析，预计2026年全球鸡肉产量将增加2%（达到1.096亿吨）。2025年的全球家禽市场分析显示，鸡肉市场将持续扩张，预计到2033年市场规模将达到约5645.04亿美元，年复合增长率（CAGR）为5.62%。在鸡肉生产的主要国家中，中国和印度等亚洲国家位居前列，其次是巴西、美国和欧盟（Mali，2025年，《2026年家禽市场分析》）。不断扩大家禽养殖场导致了大量鸡粪的产生，这不仅带来了管理上的挑战，还产生了难闻的气味。因此，利用鸡粪作为可再生资源来开发生物能源是一种可持续的选择（Hu等人，2024年；Xiao等人，2025年）。

鸡粪含有抗生素、较低的碳氮比以及高氮含量（即未消化的蛋白质和尿酸占干物质的4%以上），以及60-85%的挥发性固体（VS）（Busato等人，2020年；Song等人，2024年）。堆肥是处理鸡粪的常用方法，但可能会引发其他环境问题，如水污染、异味和温室气体排放。通过采用循环经济实践，如资源再生和回收，可以更有效地管理鸡粪（Guo等人，2022年；Kim等人，2023年）。利用厌氧消化（AD）从鸡粪中生产沼气（甲烷）被认为是一种可持续的方法（Al Seadi，2012年；Shao等人，2022年）。在AD过程中，鸡粪中的有机氮通过氨化作用转化为总氨氮（TAN）和游离氨氮（FAN），从而抑制甲烷生成（Nie等人，2015年）。这些中间产物会抑制甲烷生成菌的代谢。可以通过多种方法克服氨的抑制作用，包括氨脱除、离子交换、活性炭吸附、硫酸氢镁沉淀、共消化、膜蒸馏等（Orhan等人，2013年；Song等人，2024年）。其中，原位氨脱除是一种常用的技术。原位氨脱除利用吸收单元（常用酸H?SO?）在沼气循环过程中吸收氨，从而降低TAN浓度，提高甲烷产量（Abouelenien等人，2014年；Song等人，2024年；Yin等人，2020a）。

鸡粪中难降解成分、高总固体（TS）和VS浓度给AD过程带来了严重挑战。因此，将其与有机废物中常见的可生物降解大分子（如碳水化合物、蛋白质和脂质）结合使用，有助于平衡碳氮比（Ceron-Vivas等人，2019年；Konkol等人，2023年；Tawfik等人，2023年）。在发酵过程中选择易于降解的碳水化合物（如葡萄糖）作为碳源，蛋白胨提供微生物活动所需的氮源。此外，添加高能量含量的葵花籽油可以提高AD过程中的沼气产量（De la Rubia等人，2013年；Harirchi等人，2022年）。尽管这些辅底物的添加会稀释鸡粪消化器中的氨浓度，并通过补充微生物代谢所需的额外营养物质来提高沼气产量（Karki等人，2021年；Tawfik等人，2023年）。同时应用这两种方法可能是提高鸡粪甲烷产量的有效策略（Bi等人，2020b；Li等人，2018年；Yellezuome等人，2022年）。本研究利用中心复合设计（CCD）优化了辅底物（葡萄糖、葵花籽油和蛋白胨）的浓度，并分析了其对鸡粪AD过程中甲烷产量的影响。本研究的主要目的是通过“原位氨脱除+共消化”的综合方法来减少氨的抑制作用，从而提高高固体含量鸡粪的AD效率。

原料和接种物

原始鸡粪样本采集自台湾台中市怀埔区的一个产蛋鸡养殖场。采集后的鸡粪储存在4°C环境中，以保持其原有特性并抑制生物分解。对原始鸡粪的 moisture content、TS、VS、VS/TS比例、C、N、H、S和C/N比例进行了检测（见表1）。作为接种物的厌氧污泥来自台湾台中市一个养猪场建造的厌氧发酵罐。

有机物质与鸡粪共消化过程的批量模式优化研究

采用基于RSM的中心复合设计矩阵来优化辅底物比例，以实现最大的甲烷产量（MY）和甲烷产率（MPR）。最佳优化结果及其观察到的响应数据见表3。使用改进的Gompertz动力学模型评估了有机物质与鸡粪共消化过程中的甲烷产量。在第11次实验中，记录到的最高MPR为79±31 mL-CH?/L-d，最高甲烷产量为10.10±4.00 mL-CH?/g-VS_in

结论

对一个厌氧半连续搅拌反应器（anaerobic semi-CSTR）系统进行了为期140天的长期性能研究。原位氨脱除和共消化技术的结合显著提升了AD反应器的性能。通过减少抑制性化合物（主要是TVFA），甲烷产量达到峰值658±96 mL/g-VS_in，而未经处理的系统（不进行氨脱除/单阶段消化）中该物质的浓度为2459±1253 mg/L（降低至1128±287 mg/L）。此外，这种组合工艺促进了高效的甲烷生成。

CRediT作者贡献声明

斯内哈·普拉卡什·奈克（Sneha Prakash Naik）：撰写初稿及验证。 维诺斯·库马尔·波努萨米（Vinoth Kumar Ponnusamy）：监督工作。 戈帕拉克里希南·库马尔（Gopalakrishnan Kumar）：撰写及编辑。 曹庆红（Cing-Hong Yang）：方法学设计、数据分析。 蔡培坚（Pei-Chien Tsai）：验证工作。 林秋月（Chiu-Yue Lin）：监督工作及资金筹集。 冈达·莫哈纳克里希纳（Gunda Mohanakrishna）：项目管理工作。 莱智豪（Chyi-How Lay）：监督工作、资金筹集及概念构思。

未引用参考文献

Yenigün和Demirel，2013年

利益冲突声明

作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益/个人关系：莱智豪（Lay, Chyihow）表示获得了台湾国家科学科技委员会的财务支持；林秋月（Lin, Chiuyue）表示获得了丰桥大学的财务支持；莱智豪拥有编号为I777326的专利（台湾专利），已授权给丰桥大学。如果还有其他作者，他们声明自己没有已知的财务利益冲突。

致谢

作者衷心感谢台湾国家科学科技委员会（Taiwan's National Science and Technology Council）的财政支持（编号：114-2221-E-035-061-MY3；114-2218-E-035-003）。