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我国是养猪大国,如何合理处置大量产生的猪粪污面临着严峻的挑战。厌氧消化广泛应用于畜禽粪污处理与资源化利用,但传统厌氧消化工艺的含固率低(1%～5%),导致反应器体积大而运行成本高、沼液产生量大而就地消纳困难。高含固率厌氧消化(含固率≥8%)可有效减小反应器体积和沼液生成量,日益得到重视。然而,粪污富含氮元素,高含固率厌氧消化过程易遭遇氨氮抑制而导致产气量下降,这已成为高含固率厌氧消化推广应用的瓶颈之一,亟需突破。因此,本研究以猪粪污为原料,考察和比较不同初始含固率下的中温厌氧消化(37℃)特征,探究高含固率厌氧消化过程中氨氮抑制的形成机制,并考察零价铁投加对高含固率猪粪污厌氧消化过程中氨氮抑制的解除效果,以期为高含固率厌氧消化在畜禽粪污处理与资源化的推广应用方面提供科学依据。主要研究结果如下:1.明确了高含固率猪粪污厌氧消化的氨氮释放特征及其对产甲烷的影响,探明了以氨氮-碳酸盐-挥发性脂肪酸(VFAs)为主的三元pH缓冲体系变化特征。氨氮释放符合一级反应动力学,释放速率常数随含固率上升而下降。氨氮释放造成高含固率厌氧消化组总氨氮浓度达到3.5～6.6 g-N/L,产甲烷反应被抑制、VFAs严重累积(21.4～32.5 g/L)。以氨氮、VFAs和碳酸盐为主的三元pH缓冲体系通过其组成变化维持着系统pH值在合适的范围内波动,其缓冲机理可通过模拟的三元轮廓图验证。氨氮是高含固率猪粪污厌氧消化系统中pH缓冲体系不可或缺的重要组成,而不仅仅是潜在的抑制物。2.揭示了高含固率猪粪污厌氧消化的微生物演替特征,并探究了高含固率组产甲烷潜势逐渐下降的原因。在4%、8%、11%和14%初始总固体浓度下,猪粪污的产甲烷潜势分别为 271.0±0.5、303.1±23.0、266.3±24.5 和 207.0±14.9 NmL/g-VS,相应的产甲烷迟滞期为2.8、55.0、61.9和42.0天。整个厌氧消化过程中,细菌均以厚壁菌门、拟杆菌门和变形菌门为优势菌;产甲烷菌在起始阶段均以产甲烷球菌属和产甲烷丝状菌属为优势菌;结束时,随着含固率增高分别以产甲烷八叠球菌属(44.4%)和产甲烷丝状菌属(18.2%)、产甲烷囊菌属(51.5%)和产甲烷八叠球菌属(28.3%)、产甲烷囊菌属(87.7%)、产甲烷囊菌属(97.2%)为优势菌。高浓度游离氨诱导了产甲烷途径逐渐由乙酸利用型为主向氢利用型为主转变,却抑制了丙酸氧化菌和乙酸氧化菌,破坏其与氢营养型产甲烷菌之间的互营共生关系,是高含固率组产甲烷潜势逐渐下降的重要原因。3.明确了共轭抑制(氨氮&VFAs)对猪粪污厌氧消化产甲烷的影响。以4%初始含固率为对象,考察和比较了不同浓度的氨氮、VFAs及氨氮&VFAs对猪粪污厌氧消化产甲烷的影响。结果表明,同单独外加氨氮、VFAs相比,氨氮和VFAs同时投加的共轭抑制效应显著。仅外加氨氮,控制氨氮浓度分别约为1.5(对照)、3.5、5.5和6.5 g-N/L,试验组的产甲烷迟滞期分别为0.2、8.7和33.7天,其产甲烷潜势较对照组分别下降13.8%、36.4%和55.2%,其主要原因是丙酸的残余;仅外加VFAs,控制VFAs浓度分别约为2.6(对照)、21.0、28.0、32.0 g/L,试验组的产甲烷迟滞期分别为6.7、10.4和20.4天,随着初始VFAs浓度的增高而延长,而累计产甲烷量没有受到较大影响;同时外加氨氮和VFAs(初始浓度同上述对应物质的浓度),共轭抑制效应显现,试验组的产甲烷迟滞期分别为19.2、47.7和51.5天,不但远长于单独外加氨氮或VFAs,而且累计产甲烷量比仅外加VFAs组的分别下降3.5%、21.6%和44.0%,其抑制特征及原因与上述高含固率组较为相似。4.不同抑制方式及抑制浓度下,猪粪污厌氧消化过程中产甲烷菌群结构差异较大。仅氨氮投加时,当其浓度低于3.5 g-N/L时,产甲烷优势菌为产甲烷丝状菌属,而高于5.5 g-N/L时逐渐演变为产甲烷八叠球菌属。仅VFAs投加时,随着初始VFAs浓度增高,产甲烷优势菌逐渐由产甲烷八叠球菌属向产甲烷囊菌属转变。当氨氮和VFAs同时投加时,低投加量组厌氧消化前期以产甲烷八叠球菌属为主,后期以产甲烷囊菌属为主,高投加量组则在前期产甲烷丝状菌属为主,后期以产甲烷囊菌属为主,产甲烷囊菌属成为产甲烷优势菌属与厌氧消化后期高浓度的游离氨密切相关。5.明确了零价铁(ZVI)对高含固率猪粪污厌氧消化过程中氨氮抑制的解除效果。在10%初始含固率下,厌氧消化至第3天时,氨氮的浓度即达到4.5 g-N/L,高含固率厌氧消化系统进入氨氮“抑制稳定态”。ZVI通过强化产氢产乙酸菌与产甲烷菌之间的种间电子传递,加快了产甲烷速率及丙酸的降解,提升了高含固率猪粪污厌氧消化的产甲烷效率。当ZVI投加量达到160 mM时,在第12天可解除“抑制稳定态”,而对照组则需28天;ZVI最佳投加量为320 mM,较对照组产甲烷潜势可提高21.2%左右,消化周期可缩短51.9%左右。该投加量下,耐氨氮的产甲烷八叠球菌属相对丰度从初始的25.5%升高到结束时的78.3%,而在对照组最高仅41.2%;ZVI促进了有产氢产乙酸功能的互营单胞菌属相对丰度在厌氧消化中后期从0.5%明显增至3.7%,而在对照组最高仅1.7%。