奶牛粪污作为单一和共底物在单级和两级厌氧消化系统中的生化转化

《Bioresource Technology》：Biochemical conversion of dairy manure as mono- and co-substrate in a single- and two-stage anaerobic digestion systems

　　

研究人员研究了一种空间分离的两级（2S）系统用于粪污消化。与单级（1S）系统相比，2S嗜热工艺将甲烷产量提高了75%。2S系统从粪污单一消化中回收了87%的甲烷潜力。与甜菜渗出液共消化在两种设置中显示出相似的产量。2S系统增强了木质纤维素粪污的甲烷回收。

近年来，随着全球向低碳未来转型，厌氧消化（AD）技术作为将有机废弃物转化为可再生能源的成熟手段，其重要性日益凸显。农业废弃物中的动物粪污是产量最大但利用率最低的原料之一，然而其木质纤维素含量高达40–60%，这种复杂结构导致水解速率缓慢，限制了甲烷产量，并需要较长的水力停留时间（HRT）。尽管两级（2S）厌氧消化系统在多种底物上表现出优于单级（1S）系统的潜力，但文献中报道的用于粪污消化的2S系统均采用酸性至微酸性pH（<6.7）的第一阶段，未能获得更好的产率，这表明该条件并非粪污消化的最优选择。针对这一空白，研究人员提出了一种空间分离的新型2S系统，该系统通过筛网将粪污的纤维固体保留在第一阶段连续搅拌反应器（CSTR）中，同时将液体部分导入第二阶段厌氧过滤器（AF），在维持粪污天然pH（约7.7）的条件下运行，无需pH调节。研究对比了中温（38°C）和高温（55°C）下，1S与2S系统处理纯粪污及粪污与甜菜渗出液（SBS）共消化的性能。结果表明，在粪污单一消化中，2S高温工艺的甲烷产量较1S系统提高了75%，回收了87%的甲烷潜力；共消化时两种配置的产量相似。该研究证实了2S系统在增强木质纤维素粪污甲烷回收方面的显著优势，为沼气工程中高效利用粪污资源提供了新思路。该论文发表在《Bioresource Technology》。

该研究采用两套100 L水平CSTR构建1S系统；对于2S系统，在CSTR内安装100 μm筛网实现固液分离，固体留在一段（78 L），液体泵入装有Bioflow 40生物载体（直径40 mm，比表面积307 m² m^-3）的100 L厌氧过滤器（AF）作为第二段。底物来源为德国Bauer奶牛场的新鲜粪污及Hohenheim农业研究站的甜菜渗出液（SBS）。实验设计涵盖中温和高温、1S和2S、单一消化（100 wt.%粪污）及共消化（75 wt.%粪污+25 wt.% SBS）。主要分析技术包括总固体/挥发性固体（TS/VS）测定、化学需氧量（COD）分析、气相色谱测定挥发性脂肪酸（VFA）、以及Hohenheim沼气产量测试（HBT）测定甲烷潜力，并采用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey事后检验进行统计处理（p < 0.05）。

3.1. 底物特性
对底物的理化特性分析表明，粪污的甲烷潜力（SMP）为0.140–0.179 L_CH4 gVS^-1，而SBS的SMP高达0.443–0.452 L_CH4 gVS^-1，这归因于SBS中富含蔗糖、葡萄糖等易降解可溶性碳水化合物。研究还发现，用于2S实验的粪污因储存时间更长及冬季冻结，其SMP值略低于1S批次，但仍在文献报道范围内。

3.2. 过程参数——pH和VFAs
pH监测显示，2S系统第一阶段的pH值稳定在7.8–8.1，而AF中pH升至约8.3，高于1S系统的7.7。在2S系统中，第一反应器积累的高浓度VFA（高温下最高达15.8 g kg^-1）在AF中几乎被完全消耗（残留仅0.3 g kg^-1），甲烷浓度相应升高。尽管AF中高pH和游离氨（FAN=0.73 g L^-1）理论上存在抑制风险，但实验期间未观察到明显的氨抑制现象，系统运行稳定。

3.3. 气体产量与质量
气体产量结果证实了2S系统的优越性。在粪污单一消化中，2S高温系统总产气量约为0.45 L_biogas V_R^-1 d^-1，较1S系统提高37%以上，且AF中甲烷含量最高达61%。在共消化实验中，由于第一阶段在中性至微碱性pH下实现了完全消化，SBS的大部分潜力已在第一阶段释放，导致AF产气量较低（32和16 L d^-1），但仍保持了良好的运行稳定性，未发生填料堵塞。

3.4. 甲烷比产率（SMY）
在粪污单一消化中，2S系统的SMY显著高于1S系统。中温条件下提高24%（0.123 vs 0.099 L_CH4 gVS^-1），高温条件下提高超过75%（0.156 vs 0.089 L_CH4 gVS^-1）。碳平衡分析显示，2S系统的碳转化效率（43%–57%）远高于1S系统（30%–31%）。与批次测试（HBT）对比，1S系统仅回收约55%的甲烷潜力，而2S系统（中温）回收了高达88%的潜力。在共消化条件下，高温2S系统的SMY较1S系统提高13%（0.289 vs 0.255 L_CH4 gVS^-1），而中温条件下两者无显著差异。

总结讨论部分指出，与文献中采用酸性pH导致2S处理粪污效果不佳的案例相比，本研究的空间分离设计结合中性至微碱性pH，是提升木质纤维素降解和甲烷回收的关键。对于易降解的液态底物（如SBS），直接将其导入第二阶段可能是更优策略，但需控制投加速率以避免VFA积累和pH骤降。研究结论翻译如下：本研究比较了1S和2S AD系统在不同温度下以粪污和SBS为底物的性能。在2S系统中，第一阶段针对纤维降解，第二阶段专注于液体部分。在1S系统中温度对SMY影响不大，而在2S系统中高温消化优于中温消化。当粪污作为底物时，2S的SMY较1S增加75%，展示了在沼气厂强化这一丰富但未充分利用资源的明显机遇。对于像SBS这类快速降解底物，2S中没有观察到显著改善；作为一种替代，将SBS直接添加至第二阶段可能增强其利用。未来的研究应探索替代温度组合，例如中温第一阶段后接高温第二阶段，反之亦然，以优化整体系统性能。