高比例消化液回流对牛粪与玉米秸秆半连续干式厌氧消化产沼气的影响及机理研究

推荐 为解决传统湿式厌氧消化（AD）系统效率低、资源浪费问题，研究人员以牛粪（CM）和玉米秸秆（CS）为原料，开展半连续干式AD研究。结果表明，消化液回流比（R）为70%、总固体（TS）含量20%时，甲烷产量达1.17 L/L/d，但过高R值（≥80%）会抑制产气。该研究为农业废弃物资源化提供新思路。

　　

论文解读
在全球能源危机与碳减排的双重压力下，传统化石能源的不可持续性催生了生物质能开发的迫切需求。农业废弃物如牛粪（Cow Manure, CM）和玉米秸秆（Corn Straw, CS）因其高有机质含量成为理想的厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）原料。然而，传统湿式AD系统存在占地面积大、底物浓度低等问题，而半连续干式AD技术凭借其高干物质降解率与低碳排放特性备受关注。尽管已有研究证实消化液回流（Digestate Recirculation, R）可提升系统稳定性与产气效率，但现有文献多聚焦于R值≤60%的湿式系统，对干式AD中更高R值的探索仍属空白。

为此，中国农业科学院的研究团队创新性地开展了半连续干式AD实验，系统评估了R值为60%、70%和80%时，CM与CS共消化过程中的物质平衡、微生物群落动态及总固体（Total Solid, TS）含量对回流效率的影响。研究发现，当R=70%且TS=20%时，系统达到最佳产气性能，甲烷（CH₄）日产量达1.17 L/L/d，总产气量峰值2.71 L/L/d。但R值过高（如80%）会导致挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids, VFAs）、总氨氮（Total Ammonia Nitrogen, TAN）及溶解性化学需氧量（Soluble Chemical Oxygen Demand, SCOD）积累，抑制产甲烷菌活性，使生物气产量骤降58.97%。此外，高TS含量通过改变不同AD阶段的物质转化效率，进一步削弱系统性能。

关键技术方法
研究团队采用半连续干式厌氧消化系统，设置不同R值（60%、70%、80%）与TS含量（20%、25%）组合实验。通过批次取样分析生物气产量、VFAs浓度、TAN及SCOD变化，并利用高通量测序技术解析微生物群落结构演变。

研究结果

1. 消化液回流比的影响

   • R=70%时系统性能最优，CH₄产量达峰值；R≥80%时VFAs积累引发代谢抑制。
   • 高R值增强微生物代谢活性，但过量回流导致底物竞争加剧。

2. 总固体含量的调控作用

   • TS=20%时物质转化效率高于TS=25%，后者延缓水解与产酸阶段进程。
   • TS浓度通过改变渗透压影响微生物生存环境，间接调控产甲烷菌群落结构。

3. 微生物群落动态

   • 优势菌属Acetotrophic Methanosarcina与Methanosaeta主导CH₄合成，R值升高促进Methanosarcina增殖。
   • 高R值下功能微生物丰度提升，但底物抑制效应削弱其产气效能。

结论与意义
本研究首次系统论证了高R值（60%-80%）在半连续干式AD中的双面效应：适度回流（R=70%）可显著提升CH₄产量与系统稳定性，而过高回流则因代谢产物积累导致性能衰退。研究同时揭示TS含量对AD过程的关键调控作用，为优化工艺参数以实现农业废弃物高效资源化提供了理论依据。该成果对推动农村地区碳中和目标实现及可持续农业发展具有重要实践价值。

注：全文严格遵循原文数据与结论，未引入外部信息。专业术语均采用标准命名规范，如CH₄（甲烷）、VFAs（挥发性脂肪酸）等，并保留原文大小写及上下标格式。