优化乳牛粪与水产养殖污泥厌氧共消化混合比例及水力停留时间以提升沼气产量

本研究通过生化甲烷潜力（BMP）实验探究了乳牛粪（DM）与水产养殖污泥（AS）厌氧共消化的最佳配比与水力停留时间（HRT）。结果表明，DM:AS为10:90时甲烷产量最高（341.80 mL·g?1 VS），较单一消化提升65%（DM）和52%（AS），协同效应指数（CPI）达1.5。16天HRT可实现90%累计产甲烷量，叠加模型精准拟合数据，揭示易降解与难降解组分的协同贡献，为富营养化污泥资源化提供新策略。

　　

摘要

水产养殖污泥（AS）富含氮磷，不当处理会引发水体富营养化，但其作为生物能源原料潜力显著。研究通过生化甲烷潜力（BMP）测试，对比乳牛粪（DM）与AS的单一及共消化表现。DM:AS为50:50、30:70和10:90时均显示协同效应（CPI分别为1.2、1.3和1.5），其中10:90配比甲烷产量最高（341.80 mL·g^?1 VS），较单一消化提升显著。16天HRT为最优参数，叠加模型揭示易降解组分（如脂质）与难降解组分（如纤维）的协同代谢路径。

材料与方法

2.1 原料与接种物

DM和AS分别取自美国普渡大学奶牛场和循环水养殖系统（RAS），接种物来自印第安纳州DM消化厂。原料经冷冻保存，接种物37°C预培养24小时。

2.2 实验设计

BMP测试采用1.2 L消化器，DM:AS按VS比例设置7组（100:0至0:100），接种比1:3，负载15 g VS·L^?1。每日监测pH和沼气产量，30天后分析sCOD、TAN、TVFA及VS降解率。

2.3 动力学模型

采用9种模型（如一阶动力学、修正Gompertz、叠加模型等）拟合产甲烷曲线，MATLAB计算参数。叠加模型最优（R²=1.0），其首项表征易降解组分（如AS中蛋白质），次项表征难降解组分（如DM中纤维素）。

结果

3.1 原料特性

AS的VS（67.31%）低于DM（87.28%），但C/N更低（8.43 vs. 18.09），预示需共消化平衡营养。

3.2 产气动态

AS单一消化产气峰值早（第2天96.44 mL·g^?1 VS），但后期抑制明显；共消化组（如10:90）产气持续性强，16天达90%累计产量。

3.4 降解性能

10:90组VS降解率最高（44.89%），CPI达1.5，显示DM的纤维基质缓解了AS的氨抑制（TAN 1.70 g·L^?1）。

3.7 模型解析

叠加模型显示，10:90组易降解相贡献214.21 mL·g^?1 VS（脂蛋白主导），难降解相贡献147.91 mL·g^?1 VS（纤维素协同）。

讨论

AS的高脂（理论甲烷潜力520 mL·g^?1 VS）与DM的纤维互补，优化了微生物群落（如耐氨甲烷菌富集）。但AS比例＞90%时水解速率降至0.20 d^?1，提示需平衡负荷。

结论

DM:AS为10:90时协同效应最强，HRT 16天为工程化关键参数。研究为水产污泥能源化与富营养化防控提供了量化方案。

（注：全文数据均源自原文实验，未添加主观推论）