纳米气泡曝气增强畜禽废水中的产甲烷作用和氮转化

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhancement of Methanogenesis and Nitrogen Conversion in Livestock Wastewater by Nanobubble Aeration

　　

摘要

畜禽废水中高氨氮限制了厌氧消化 (AD)。本研究进行了为期 40 天的对比批次 AD 实验，使用了三种不同预处理条件下的畜禽废水：纳米气泡曝气 (NA)、常规曝气 (CA) 和非曝气对照 (CK)。实验设计纳入了对产甲烷动力学、底物降解和氮形态动态的连续监测，并结合 16S rRNA 基因测序来表征相关微生物群落的变化。结果表明，NA 组中的 NH₄⁺-N 浓度在 AD 初始阶段迅速增加，随后急剧下降。同时，NA 组的 NO₃^--N 去除效率 (32.92%) 显著高于 CA (26.73%) 和 CK (25.78%) 组。最终，NA 组实现了最高的累积甲烷产量 (143.63 mL/(g-VS_added))，分别比 CA 和 CK 组增加了 11.65% 和 19.70%。因此，NA 既促进了氮转化，又增强了产甲烷性能。微生物分析显示，NA 组中反硝化细菌 Thiopseudomonas 的丰度 (5.32%) 高于 CA 组 (3.36%)；同样，关键产甲烷菌 Methanofastidiosum 达到了 15.25%，大约是 CA 组 (7.22%) 的 2 倍。本研究证实，NA 可以在增强产甲烷性能的同时减少含氮化合物。尽管缺乏碳氮耦合的直接机制证据，但这些发现表明产甲烷作用和氮去除之间存在可能的相互关系。NA 代表了一种简单的预处理策略，可提高高氮畜禽废水的能源回收，但其在水氮转化中的作用仍需进一步调查。

引言

有机废物的有效管理和持续的能源危机是全球重大关切。在中国，畜禽养殖部门占国家总化学需氧量 (COD) 排放量的 46.7% 和氨 (NH₄⁺-N) 排放量的 11.5% [1]。这使其成为全国主要的水污染源之一，对环境的可持续性构成了重大挑战。厌氧消化 (AD) 作为处理畜禽废水的关键技术，可以将有机成分转化为甲烷等清洁能源 [2]。然而，高氮奶牛场废水的 AD 经常受到多种因素的阻碍，例如 NH₄⁺-N 抑制和复杂有机物的缓慢水解 [3]。

迄今为止，已探索了各种策略来提高高氮畜禽废水中 AD 的效率和稳定性。例如，将奶牛粪污与食物残渣按 1:2.5 的比例混合，产生了 2.71 L/(L·d) 的最大甲烷产生速率，显著提高了系统处理效率和管理产量 [4]。在猪废水和植物残渣共消化过程中，甲烷产量增加了 71.4% [5]。关于预处理，最近的研究表明，采用 70 °C 低温水热预处理辅以 Na₂CO₃，可显著提高畜禽粪肥的溶解度，达到 293 mL/g-挥发性固体 (VS)_added 的甲烷产量 [6]。与未处理对照相比，奶牛粪肥的机械破碎和混合预处理使甲烷产量增加了 12% [7]。此外，像生物炭这样的添加剂已被证明可以改善 AD 系统中的微生物群落组成，促进产甲烷菌的代谢和电子转移，维持 AD 过程稳定性，并减少毒素抑制效应 [8], [9]。然而，这些方法往往存在操作复杂、能耗高或二次污染风险等局限性。例如，高温预处理可能会加剧 NH₄⁺-N 抑制 [10]，而化学预处理涉及化学品使用及后续处理挑战。因此，开发操作简单且环境友好的技术对于推进 AD 在高氮畜禽废水中的工程应用至关重要。

纳米气泡 (NBs)，定义为直径在 10 nm 到 1000 nm 之间的气泡，具有独特的性质，包括大的比表面积、较长的寿命、负表面电荷和优越的气体传质效率 (比常规气泡高 2-5 个数量级)，使其在水处理和生物质转化方面具有优势 [11]。纳米气泡曝气 (NA) 表现出常规曝气 (CA) 两倍的气体利用效率和体积传质系数，同时有机物降解停留时间减少了 50% [12]。这是因为 NBs 内的气体不断释放到溶液中，从而加速传质 [13]。NBs 的负表面电荷使其能够吸附到废水中带正电荷的污染物上，增强了界面相互作用，促进了废水分层和后续微生物处理 [14]。此外，超高的比表面积为气液相互作用提供了丰富的活性位点，进一步促进了传质。

近年来，由于 NBs 技术独特的理化性质，在环境和生物技术领域受到关注，其在增强 AD 过程中的应用也开始被探索。研究表明，微曝气可以增强各种有机底物 AD 过程中的水解和后续产甲烷，改善过程稳定性，并去除硫化氢 [15]。先前的研究还表明，NBs 产生的微氧环境可以增强食物残渣的水解和酸化阶段 [16]。此外，空气 -NBs 引入的微氧条件并未抑制产甲烷作用，据报道增加了甲烷产量 [17]。初步研究表明，向 AD 系统中添加预先制备的纳米气泡水 (NBW) 可以有效缓解 NH₄⁺-N 抑制，促进水解，并增加甲烷产量 [18]。此外，研究人员还发现，由 NA 形成的生物膜增强了胞外聚合物的均匀性，并显著影响微生物空间结构和群落组成 [19]。然而，大多数现有的纳米气泡增强 AD 试验依赖于外源添加预制的 NBW，而原位 NA 预处理尚未与传统曝气技术进行系统比较。此外，先前的研究主要关注有机降解和甲烷产生，而在 NA 预处理下的氮转化特征仍描述不清。

在本研究中，NA 被直接应用于畜禽废水的预处理，并系统评估了其对 AD 的综合影响。通过建立三个实验组 (NA、CA 和非曝气对照 (CK))，评估了不同曝气方法对畜禽废水中 COD 和氮形态的影响。随后，在为期 40 天的批次 AD 过程中，同时监测了甲烷产生动力学、底物降解和氮形态 (NH₄⁺-N、NO₃^--N 和 NO₂^--N) 浓度变化。使用改良 Gompertz 动力学建模和 16S rRNA 基因测序检查了曝气策略、产甲烷作用、氮转化和微生物群落结构之间的潜在关系。本研究旨在为高氮畜禽废水的高效处理和能源回收提供创新的预处理策略和系统评估框架，从而推进畜牧业绿色发展。

章节摘要

原料和接种物

本研究直接从中国河南省焦作市山阳区一家中型奶牛公司收集新鲜畜禽废水。接种物取自马头岗污水处理厂的厌氧消化污泥。

空气纳米气泡曝气

对于空气纳米气泡曝气，NBs 发生器 (ZJC-NM，中国上海) 在 0.34 MPa 的压力和 0.36 L/min 的气体流量下运行。曝气 15 min 后，处理后的废水作为

畜禽废水预处理

通过比较 NA、CA 和无曝气前后的参数，阐明了不同曝气方法对畜禽废水性质的影响 (表 1)。结果表明，在 15 分钟的 NA 后，废水 COD 降低了 16.56%，从 10024.68 ± 373.06 mg/L 降至 8368.36 ± 71.66 mg/L。相比之下，相同持续时间的 CA 并未导致 COD 显著降低，测得值为 10035.12 ± 355.89 mg/L。与其他研究一致，NA 实现了 COD 去除

结论

本研究表明，直接对畜禽废水进行 NA 预处理可以增强 AD 系统的产甲烷性能。该方法提高了甲烷产生速率和累积甲烷产量，同时促进了有机固体更彻底的水解和利用。这些增强很可能与 NBs 独特的高传质效率和界面效应有关。这些性质可能有助于关键微生物的富集

CRediT 作者贡献声明

徐贵专： 数据整理。 李鹏飞： 可视化，验证。 侯婷婷： 撰写 – 审阅与编辑，监督，资金获取。 焦有洲： 调查。 张一博： 撰写 – 初稿，可视化，验证，软件，方法学。 孙辉： 撰写 – 初稿，验证，正式分析。 郭金阳： 软件，调查。 何超： 资源，数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

我们衷心感谢国家自然科学基金 (42507321 和 52276182) 提供的宝贵财务援助。

张一博|孙辉|何超|郭金阳|李鹏飞|徐贵专|焦有洲|侯婷婷

农业农村部乡村可再生能源材料与设施重点实验室，河南农业大学机电工程学院，郑州 450002，中国