氨气吹脱预处理强化高固含量鸡粪厌氧消化：微生物抗性与水力停留时间稳定的机制解析

本研究针对高固含量鸡粪厌氧消化（AD）中氨抑制这一关键瓶颈，创新性地开发了外源氨气吹脱预处理系统。通过90天半连续实验，预处理组甲烷产率提升20%（225 vs. 187 mL/g-COD），水力停留时间（HRT）稳定在30天，同时总氨氮（TAN）耐受阈值提升至5.6 g/L。宏基因组分析揭示了吹脱过程对氢营养型产甲烷菌（Methanobrevibacter）和互营乙酸氧化菌（Syntrophaceticus）的选择性富集机制，为农业废弃物资源化提供了可规模化的解决方案。

　　

鸡粪作为全球最大的家禽生产国中国的典型农业废弃物，每年产生超过500万吨氮当量，其高固含量厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）面临严峻的氨抑制挑战。当总固体含量（Total Solids, TS）超过10%时，总氨氮（Total Ammonia Nitrogen, TAN）浓度常突破4 g/L，导致游离氨浓度超过0.5 g/L的抑制阈值，引发产甲烷菌代谢紊乱、挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids, VFAs）积累和反应器失效。现有解决方案如微量元素补充或共消化策略，在高固体系中收效甚微，亟需开发兼具工程可行性和微生物调控效能的预处理技术。

黑龙江八一农垦大学的研究团队在《Biomass and Bioenergy》发表的研究中，构建了外源氨气吹脱预处理系统，通过90天的半连续实验发现：预处理鸡粪（Pretreated Chicken Manure, PCM）在有机负荷率（Organic Loading Rate, OLR）3.1 g-COD/(L·d)下，甲烷产率较未处理组提升20%，同时反应器有效容积保持稳定。宏基因组分析揭示吹脱过程选择性富集了耐氨菌群——氢营养型产甲烷菌Methanobrevibacter和互营乙酸氧化菌Syntrophaceticus，使系统在5.6 g/L TAN下稳定运行，远超对照组的抑制阈值（6.4 g/L TAN）。

关键技术包括：1）采用连续搅拌罐反应器（Continuously Stirred Tank Reactor, CSTR）进行半连续AD实验；2）外源氨气吹脱系统集成微好氧水解；3）基于Spearman相关性的多参数关联分析；4）宏基因组测序解析微生物群落结构。

【Substrate transformation through pretreatment process】
吹脱预处理使TS降低28%（p<0.05），无机质高效去除；可溶性COD提升51%至54.4 g-COD/L，VFAs激增4.5倍达39.9 g-COD/L，表明微好氧条件显著促进有机物溶解释放。

【Comparison with other similar studies】
相较于传统共消化策略仅降低34% TAN，本研究的吹脱预处理同步实现氮减排和无机质去除，甲烷产率提升幅度（20%）远超生物强化手段（15%-20%），且HRT稳定性优于同类研究。

【Conclusions】
该研究证实氨气吹脱通过双重机制破解高固AD瓶颈：微生物层面塑造耐氨菌群网络，工程层面维持HRT稳定性。预处理过程中28%的TS削减和4.5倍VFAs增长，凸显了微好氧水解与无机质去除的协同效应。尽管需优化空气流量等参数，该技术为畜禽粪污能源化提供了兼具经济性与生态效益的解决方案，推动农业废弃物向循环生物经济转型。