鳥糞石沉淀法脫除氨氮對雞糞厭氧發(fā)酵過程的影響

李博文，朱鴻斌，郭建斌，董仁杰

鳥糞石沉淀法脫除氨氮對雞糞厭氧發(fā)酵過程的影響

李博文1，朱鴻斌2，郭建斌1※，董仁杰1

（1. 中國農業(yè)大學工學院，北京 100083；2. 中國華電科工集團有限公司，北京 100160）

為緩解雞糞厭氧發(fā)酵過程中產生的氨氮抑制，采用投加鎂磷鹽的方式，在厭氧發(fā)酵過程中原位脫除氨氮，考察鳥糞石沉淀法脫除氨氮對雞糞厭氧發(fā)酵過程的影響及鎂磷鹽的利用效率。試驗向穩(wěn)定運行的半連續(xù)厭氧反應器內投加MgCl2·6H2O和K2HPO4·3H2O，理論脫除速率為3 000 mg/d。第一次加鹽脫除氨氮后，試驗組反應器內氨氮濃度由2 937 mg/L降低至1 466 mg/L，平均產甲烷量為0.39 L/g，相較對照組的0.33 L/g提高了18%，鎂磷鹽利用率為91%；第二次加鹽脫除氨氮后，試驗組氨氮濃度由2 232 mg/L降低至762 mg/L，平均產甲烷量為0.33 L/g，相較對照組的0.30 L/g提高了10%，鎂磷鹽利用率為90%。研究表明鳥糞石沉淀法能較好的與厭氧發(fā)酵過程相耦合，在脫除氨氮緩解抑制的同時，提高系統甲烷產量，并回收部分氮磷資源。

甲烷；發(fā)酵；氨氮；鳥糞石

0 引 言

隨著中國經濟的快速發(fā)展，人們對于肉蛋奶等產品的需求也不斷提高，畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展也帶來了大量的畜禽糞污[1]。厭氧消化是一種有效的廢棄物資源化利用技術，但在厭氧發(fā)酵過程中雞糞及豬糞等畜禽糞污中高含量的尿素、蛋白質等有機質被分解產生氨氮，氨氮濃度通常達到3 000 mg/L以上時，會開始產生氨氮抑制現象[2]，降低產氣率[3-4]。厭氧反應氨抑制可以通過降低氨氮濃度和提高微生物耐受能力等方法來解除，如稀釋、調節(jié)進料碳氮比、沉淀、吸附、馴化、添加微量元素等[5-10]。

鳥糞石沉淀法是利用鎂磷和氨形成不溶的磷酸銨鎂沉淀來除磷脫氮[11]，生成的磷酸銨鎂含有高含量的P2O5和氮素，是一種優(yōu)良的緩釋肥[12]。Rahman等[13]綜述了影響鳥糞石沉淀的因素，其中鎂磷摩爾比、pH、投加試劑的種類及其他離子的存在（如Ca2+、Fe2+等）是影響磷酸銨鎂反應的主要因素。國內外已有許多研究探索了添加不同鎂源或調控反應條件以優(yōu)化鳥糞石結晶過程來回收氮磷資源，主要集中在污水、厭氧消化液等養(yǎng)分回收領域[14-15]。但是，將鳥糞石沉淀法與厭氧發(fā)酵相結合，實現厭氧反應過程實時原位脫氨的研究較少。本研究采用鳥糞石沉淀法在雞糞中溫厭氧發(fā)酵過程中脫除氨氮，研究鳥糞石沉淀法脫氨對厭氧消化系統產甲烷的影響。旨在通過鳥糞石沉淀法在解除雞糞厭氧發(fā)酵過程中氨氮抑制的同時，提高厭氧發(fā)酵過程產甲烷能力，為鳥糞石沉淀法與厭氧消化過程相結合提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用的雞糞取自中國農業(yè)大學蛋雞養(yǎng)殖基地。為確保進料均勻，將取回的雞糞加水稀釋后過0.850 mm篩，除去羽毛蛋殼及沙子等雜質后置于4 ℃冷庫備用。接種污泥取自實驗室運行良好的中溫雞糞厭氧反應器，反應器在水力停留時間為15 d，進料TS為5%的條件下穩(wěn)定運行了150 d，沒有發(fā)生明顯的氨抑制現象。進料雞糞和污泥的理化指標如表1所示。

表1 原料及接種污泥的性質

1.2 試驗設計

本研究為半連續(xù)厭氧發(fā)酵試驗，采用2個總容積為15 L、有效容積為10 L的CSTR反應器，罐體外層帶有水浴夾層，通過水浴鍋控制溫度，反應器頂部配有攪拌電機及配套的調速控制器。2反應器各接種10 L污泥后啟動，攪拌轉速120 r/min，在中溫條件（35±2）℃下進行。試驗的水力停留時間為15 d，初始有機負荷（以體積濃度計）為1.5 g/(L?d)，后續(xù)具體運行情況如表2所示。反應器所產沼氣通過集氣袋收集，每日測定氣體產量、甲烷濃度，及發(fā)酵液pH值，每3～4 d測定發(fā)酵液中的氨氮及有機酸濃度。采用MgCl2·6H2O和K2HPO4·3H2O分別作為鎂磷鹽添加進行脫氨操作，脫氨期間，每日將43.5 g MgCl2·6H2O及48.8 g K2HPO4·3H2O與進料雞糞混合后投入試驗組反應器內。在此期間，每日對出料中的氨氮及有機酸濃度進行測定。脫氨操作每次僅對單個反應器進行，另一反應器不做處理正常進出料。在第36～41天對反應器A進行脫氨操作，在第56～62 天對反應器B進行脫氨操作，來緩解反應器內氨氮累積產生的抑制現象，第一次加鹽時反應器在OLR為2 g/(L?d)的條件下運行了13 d，此時反應系統氨氮已經達到較高水平，產氣量出現下降，第二次加鹽時為反應器在OLR為2 g/(L·d)的條件下運行了33 d，此時反應系統已經運行了2個水力停留時間，處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。

表2 試驗運行方案

注：(I)A組脫氨/B組正常進料；(II) B組脫氨/A組正常進料，下同。

Note: (I) Ammonia nitrogen removal for group A/Normal feeding for group B; (II) Ammonia nitrogen removal for group B/Normal feeding for group A, the same below.

1.3 氨氮脫除量計算方法

氨氮脫除量計算方法根據物質守恒定律及經驗分析得出。

對反應器進行第次脫除氨氮操作時，反應器內部的氨氮平衡為

根據未處理反應器出料中的氨氮濃度，可推算出每日進料引入的氨氮含量X

將計算得到的進料氨氮含量帶入進行脫除氨氮的反應器的氨氮平衡公式中，可計算得到沉淀脫氨操作脫除的氨氮含量Z

1.4 分析方法

沼氣采用濕式氣體流量計及沼氣分析儀分別測定產氣量及甲烷含量。采用玻璃電極法測定發(fā)酵液pH值；揮發(fā)性脂肪酸（Volatile Fatty Acid /VFA）采用GC測定[16]；氨氮采用水楊酸-次氯酸鹽光度法測定[17]。

2 結果與討論

2.1 鳥糞石沉淀法對氨氮濃度的影響及脫氨效率分析

圖1反映了兩組反應器中氨氮濃度動態(tài)變化情況，在反應器初始運行階段，有機負荷為1.5 g/(L?d)，此時兩組反應器內氨氮濃度維持在1 452～1 829 mg/L之間，提升有機負荷至2 g/(L?d)后，兩反應器內的氨氮濃度迅速上升至2 600 mg/L以上，最高時達到3 219 mg/L，對兩反應器進行脫除氨氮操作時，氨氮濃度均迅速下降。在試驗運行的第36～41天進行第一次加鹽，加鹽后試驗組（反應器A）氨氮濃度從2 937 mg/L降低至1 466 mg/L，隨后反應器A中的氨氮濃度在1 122～2 033 mg/L內浮動；在試驗運行的第56～62天進行第二次加鹽后，試驗組（反應器B）氨氮濃度從2 232 mg/L降低至762 mg/L，在停止加鹽17 d后與對照組（反應器A）氨氮濃度達到一致。在半連續(xù)厭氧消化系統中，含氮有機物分解轉化產生氨氮，穩(wěn)定后反應器中的氨氮濃度處于動態(tài)平衡。利用鳥糞石沉淀法脫除氨氮時，氨氮濃度迅速降低，打破了原先的平衡。加鹽結束后，系統中的氨氮濃度維持在較低水平，氨氮脫除效果明顯。

國內外已有許多利用鳥糞石沉淀法回收廢水或沼液中氨氮和磷的相關研究。Li等在pH值為8.5～9的條件下，利用鳥糞石法去除垃圾滲濾液中的氨氮，氨氮的去除率超過96%[18]。Yetilmezsoy等利用鳥糞石法去除雞糞廢水中的氨氮，研究結果表明，在pH 9的條件下的去除效果最好，此時氨氮的去除率為85.4%[19]。郝曉地等對磷酸銨鎂沉淀形成的最佳條件進行了研究，試驗結果表明，在自來水反應體系中，當pH值在7.0～7.5時，鳥糞石純度最高，隨著pH值升高，沉淀中磷酸銨鎂的含量逐漸降低[20]。在本研究中，采用鳥糞石沉淀法原位脫除雞糞沼液中的氨氮，脫除反應過程中pH值介于6.9～7.8之間，根據氨氮脫除量計算公式推算出第一次沉淀脫除氨氮操作共去除16 462 mg氨氮，而理論氨氮去除量為18 000 mg，鹽利用效率為91%。第二次沉淀脫除氨氮操作共去除氨氮18 945 mg，理論氨氮去除量為21 000 mg，鹽利用效率為90%，脫除效率與前人的研究結果相似，表明在厭氧消化的過程中利用鳥糞石沉淀法脫除氨氮，可以高效利用試劑以調控消化系統氨氮的含量。同時，在反應器出料的固相中發(fā)現了白色顆粒狀磷酸銨鎂結晶。與前人研究不同的是，本研究在系統pH值為6.9～7.8的條件下也獲得了較高的鹽利用率，這可能由于系統中的氨氮濃度過高，促使鳥糞石反應發(fā)生并消耗掉了大部分的鎂磷鹽。

2.2 鳥糞石沉淀法對甲烷產量的影響

半連續(xù)厭氧發(fā)酵試驗過程中甲烷產量的變化如圖2所示。在1～22 d，兩反應器在1.5 g/(L?d)有機負荷的條件下運行，產氣量在0.37～0.55 L/g范圍內波動，兩組反應器產氣量無顯著差異，平行性較好，且均未產生抑制現象。在23～35 d，反應器有機負荷提升至2 g/(L?d)，此時氨氮濃度上升到2 600～3 219 mg/L（如圖1），產生抑制現象，產氣呈現緩慢下降趨勢，逐漸由該負荷初期的0.54 L/g下降到第35天的0.43 L/g。在36～41 d時，對反應器A進行連續(xù)6 d的脫除氨氮處理，反應器B正常進料，在此期間試驗組（反應器A）的產甲烷量由0.44 L/g上升至0.46 L/g，而對照組（反應器B）的產甲烷量由0.43 L/g降低至0.40 L/g。加鹽有效緩解了氨氮抑制，加鹽期間甲烷產量與未加鹽組相比提升了15%。在42～56 d，即停止加鹽后的15 d內，試驗組（反應器A）的平均產甲烷量為0.39 L/g，而對照組（反應器B）為0.33 L/g，采用配對t檢驗的方式對15 d內的單位產甲烷量進行統計分析，二者有顯著性差異（< 0.05），脫氮后的平均單位產甲烷量相較對照組提升18%。值得注意的是，反應器A在停止加鹽后的日產甲烷量顯著低于加鹽過程中的日產甲烷量，這可能是由于加鹽過程中引入了大量的鉀離子對厭氧消化系統產生了抑制作用而造成的。Chen等的研究表明，在未馴化的厭氧系統中，鉀離子的濃度超過3 g/L就會抑制系統的產甲烷量[21]。在56～62 d，對反應器B進行連續(xù)7 d的脫除氨氮處理后，產甲烷量由0.30 L/g下降至0.28 L/g，減少了6.7%，反應器A正常進料，產甲烷量由0.38 L/g下降至0.32 L/g，減少了15.8%。在62～80 d，即停止加鹽后的15 d內，試驗組（反應器B）的平均單位VS產甲烷量為0.33 L/g，而對照組（反應器A）為0.30 L/g，采用配對t檢驗的方式對15 d內的單位產甲烷量進行統計分析，二者有顯著性差異（< 0.05），進行脫除氨氮后的單位產甲烷量相較對照組提升10%。

兩次脫除氨氮后反應器單位產甲烷量提升程度不同可能是由于氨氮濃度不同所致。研究認為，在厭氧發(fā)酵過程中，氨氮濃度超過3 000 mg/L時，系統將會受到抑制[22]。完成第一次氨氮脫除后，試驗組（反應器A）的氨氮濃度降低至1 500 mg/L左右，而對照組（反應器B）的氨氮濃度在2 800 mg/L左右；而完成第二次氨氮脫除后，試驗組（反應器B）的氨氮濃度降低至800 mg/L左右，但此時對照組（反應器A）的氨氮濃度也僅在1 800 mg/L左右。較低的氨氮濃度對厭氧發(fā)酵過程的抑制程度也相對較低，從而導致第二次脫除氨氮時的產甲烷量較第一次提升程度低。

兩次脫除氨氮的操作均使得甲烷產量有所提升，這與前人的研究結果相似。Romero-Güiza等向穩(wěn)定運行的中溫厭氧反應器中添加5和30 kg/m3由低品位氧化鎂配制而成的穩(wěn)定劑，使甲烷產量增加了25%和40%，與本研究的結果相似[7]。然而，Uludag-Demirer等在研究時發(fā)現，在批式厭氧發(fā)酵過程中添加鎂磷會導致了系統產甲烷量的降低[23]，這與本文研究結果相反。這可能是由于試驗為批式試驗且所用的發(fā)酵底物不同導致的。批式發(fā)酵過程中無法進行物料交換，容易造成產物抑制，而半連續(xù)進料發(fā)酵試驗中，水解產酸與產甲烷過程同時進行，不斷與外界進行物料交換，能有效避免發(fā)酵過程中的產物抑制，使發(fā)酵過程處于穩(wěn)定狀態(tài)[24]。且Uludag-Demirer等的研究中以牛糞為原料，最終發(fā)酵液的氨氮濃度也僅在300 mg/L附近，通常不會產生氨氮抑制。因此，添加鎂磷試劑，可能會引入較多的陽離子或改變發(fā)酵過程的pH從而造成總產氣量降低。

2.3 鳥糞石沉淀法對有機酸含量的影響

圖3顯示了厭氧發(fā)酵過程中沼液總有機酸含量變化情況，總有機酸含量是指示厭氧發(fā)酵過程穩(wěn)定及效率的重要指標。試驗結果顯示，在1～35 d，2反應器正常進料，總有機酸濃度上升至2 500 mg/L左右，出現了一定程度的積累。在36～41 d進行脫除氨氮處理后，試驗組（反應器A）中總有機酸含量顯著降低，從2 317 mg/L降低至72 mg/L（< 0.05）。后續(xù)發(fā)酵過程中試驗組的總有機酸含量也在很低的水平內波動，未再發(fā)生積累。而對照組（反應器B）中總有機酸含量則持續(xù)上升至3 730 mg/L（第55天）。在進行第二次氨氮脫除操作后，試驗組（反應器B）中的總有機酸含量也發(fā)生下降，在第63 天時濃度為2 321 mg/L。在停止加鹽后，總有機酸含量繼續(xù)下降至第79天的25 mg/L，與對照組在相同水平。在厭氧消化系統中，總有機酸含量受到產酸菌和產甲烷菌的雙重影響，產酸菌將可溶性有機物先降解成小分子的VFA，再經產甲烷菌將VFA轉化為甲烷，在穩(wěn)定的厭氧消化系統中，各過程處于動態(tài)平衡中[22]。兩次脫除氨氮處理后，試驗組的總有機酸含量均顯著降低，推測加入鎂磷等試劑脫除氨氮后，系統內產酸菌受到抑制或甲烷菌活性提高或兩者同時發(fā)生。Romero-Güiza等的研究結果表明，陽離子對于產酸菌可能會產生抑制作用而導致VFA含量的降低[25]，在本試驗中，停止加鹽后，總有機酸的含量保持在較低水平，未發(fā)生累積，證明采用鳥糞石沉淀法脫除氨氮時主要是通過恢復產甲烷菌的活性來實現的。

2.4 鳥糞石沉淀法對pH值的影響

3 結 論

1）研究結果表明，鳥糞石沉淀法與雞糞厭氧消化過程耦合效果良好。向半連續(xù)厭氧消化反應器中投加MgCl2·6H2O和K2HPO4·3H2O，能夠有效降低雞糞中溫厭氧消化過程中產生的氨氮，緩解氨抑制，恢復產甲烷菌活性，促進有機酸的轉化，進而提高產甲烷量。

2）以3 000 mg/d的去除速率，通過向半連續(xù)厭氧消化反應器中投加MgCl2·6H2O和K2HPO4·3H2O的方式來脫除氨氮后，試驗組產甲烷量較對照組提高了10%～18%，外源性鎂磷鹽利用率在90%左右，具有較高的鹽利用效率。

3）投加外源性MgCl2·6H2O和K2HPO4·3H2O會釋放H+，降低發(fā)酵液pH，容易導致厭氧消化系統酸化。前人研究指出鳥糞石回收的最適pH值為8.5～9.0，而本研究中系統pH值在6.9～7.8之間也獲得了較高的鎂磷鹽利用率，這可能由于系統中的氨氮濃度過高，促使鳥糞石反應發(fā)生并消耗掉了大部分的鎂磷鹽。

[1] 羅娟，趙立欣，姚宗路，等. 規(guī)模化養(yǎng)殖場畜禽糞污處理綜合評價指標體系構建與應用[J]. 農業(yè)工程學報，2020，36(17)：182-189.

Luo Juan, Zhao Lixin, Yao Zonglu, et al. Construction and application of comprehensive evaluation index system for waste treatment on intensive livestock farms[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(17): 182-189. (in Chinese with English abstract)

[2] Morozova I, Nikulina N, Oechsner H, et al. Effects of increasing nitrogen content on process stability and reactor performance in anaerobic digestion[J]. Energies, 2020, 13(5): 1-19.

[3] Molaey R, Bayrakdar A, Sürmeli R ?, et al. Anaerobic digestion of chicken manure: Mitigating process inhibition at high ammonia concentrations by selenium supplementation[J]. Biomass & Bioenergy, 2018, 108: 439-446.

[4] Calli B, Mertoglu B, Inanc B, et al. Effects of high free ammonia concentrations on the performances of anaerobic bioreactors[J]. Process Biochemistry, 2005, 40(3/4): 1285-1292.

[5] Hejnfelt A, Angelidaki I. Anaerobic digestion of slaughterhouse by-products[J]. Biomass & Bioenergy, 2009, 33(8): 1046-1054.

[6] Vries J W D, Vinken T M W J, Hamelin L, et al. Comparing environmental consequences of anaerobic mono- and co-digestion of pig manure to produce bio-energy-A life cycle perspective[J]. Bioresource Technology, 2012, 125(12): 239-248.

[7] Romero-Güiza M S, Astals S, Chimenos J M, et al. Improving anaerobic digestion of pig manure by adding in the same reactor a stabilizing agent formulated with low-grade magnesium oxide[J]. Biomass & Bioenergy, 2014, 67: 243-251.

[8] Zhang N, Stanislaus M S, Hu X, et al. Strategy of mitigating ammonium-rich waste inhibition on anaerobic digestion by using illuminated bio-zeolite fixed-bed process[J]. Bioresource Technology, 2016, 222: 59-65.

[9] Sung S, Tao L. Ammonia inhibition on thermophilic anaerobic digestion [J]. Chemosphere, 2003, 53(1): 43-52.

[10] Banks C J, Zhang Y, Jiang Y, et al. Trace element requirements for stable food waste digestion at elevated ammonia concentrations[J]. Bioresource Technology, 2012, 104: 127-135.

[11] 李金頁，鄭平. 鳥糞石沉淀法在廢水除磷脫氮中的應用[J]. 中國沼氣，2004，22(1)：7-10.

Li Jinye, Zheng Ping. Applications of struvite precipitation in removal of phosphorus and nitrogen from wastewater[J]. China Biogas, 2004, 22(1): 7-10. (in Chinese with English abstract)

[12] 陳靜霞，李詠梅. 鳥糞石沉淀法預處理高氨氮廢水的鎂鹽研究[J]. 環(huán)境工程學報，2011，5(12)：2663-2667.

Chen Jingxia, Li Yongmei. Study on magnesium agents for the pretreatment of high-strength ammonia wastewater by struvite precipitation[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2011, 5(12): 2663-2667. (in Chinese with English abstract)

[13] Rahman M M, Salleh M, Rashid U, et al. Production of slow release crystal fertilizer from wastewaters through struvite crystallization: A review[J]. Arabian Journal of Chemistry, 2014, 7: 139-155.

[14] Suzuki K, Tanaka Y, Kuroda K, et al. Removal and recovery of phosphorous from swine wastewater by demonstration crystallization reactor and struvite accumulation device[J]. Bioresource Technology, 2007, 98(8): 1573-1578.

[15] Doyle J D, Parsons S A. Struvite formation, control and recovery[J]. Water Research, 2002, 36(16): 3925-3940.

[16] 喬瑋，任征然，李晨艷，等. 自攪拌厭氧折流板反應器連續(xù)處理豬場廢水的效果[J]. 農業(yè)工程學報，2018，34(20)：210-215.

Qiao Wei, Ren Zhengran, Li Chenyan, et al. Continuous anaerobic treatment of swine wastewater by using self-agitation anaerobic baffled reactor[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 210-215. (in Chinese with English abstract)

[17] 國家環(huán)境保護總局. 水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)[M]. 北京：中國環(huán)境科學出版社，2002

[18] Li X Z, Zhao Q L, Hao X D. Ammonium removal from landfill leachate by chemical precipitation[J]. Waste Management, 1999, 19(6): 409-415.

[19] Yetilmezsoy K, Sapci-Zengin Z. Recovery of ammonium nitrogen from the effluent of UASB treating poultry manure wastewater by MAP precipitation as a slow release fertilizer[J]. Journal of Hazardous Materials, 2009, 166(1): 260-269.

[20] 郝曉地，蘭荔，王崇臣，等. MAP沉淀法目標產物最優(yōu)形成條件及分析方法[J]. 環(huán)境科學，2009，30(4)：1120-1125.

Hao Xiaodi, Lan Li, Wang Chongchen, et al. Optimal formation conditions and analytical methods of the target product by MAP precipitation[J]. Environmental Science, 2009, 30(4): 1120-1125. (in Chinese with English abstract)

[21] Chen Y, Cheng J J. Effect of potassium inhibition on the thermophilic anaerobic digestion of swine waste[J]. Water Environment Research, 2007, 79(6): 667-674.

[22] 野池達野. 甲烷發(fā)酵（劉兵，薛詠海）[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2014.

[23] Uludag-Demirer S, Demirer G N, Frear C, et al. Anaerobic digestion of dairy manure with enhanced ammonia removal[J]. Journal of Environmental Management, 2008, 86(1): 193-200.

[24] 郭建斌，董仁杰，程輝彩，等. 溫度與有機負荷對豬糞厭氧發(fā)酵過程的影響[J]. 農業(yè)工程學報，2011，27(12)：217-222.

Guo Jianbin, Dong Renjie, Cheng Huicai, et al. Effect of temperature and organic loading rates on anaerobic digestion of pig manure[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(12): 217-222. (in Chinese with English abstract)

[25] Romero-Güiza M S, Astals S, Mata-Alvarez J, et al. Feasibility of coupling anaerobic digestion and struvite precipitation in the same reactor: Evaluation of different magnesium sources[J]. Chemical Engineering Journal, 2015, 270: 542-548.

[26] Karthikeyan O P, Joseph K. Chemical precipitation of ammonia-N as struvite from landfill leachate effect of molar ratio upon recovery[J]. Journal of Solid Waste Technology & Management, 2008, 34(1): 20-26.

[27] 鄧玉營，阮文權，郁莉，等. pH調控對瘤胃液接種稻秸厭氧消化中水解菌及產甲烷菌的影響[J]. 農業(yè)環(huán)境科學學報，2018，37(4)：813-819.

Deng Yuying, Ruan Wenquan, Yu Li, et al. The effect of pH adjustment on hydrolytic bacteria and methanogens during rumen fluid derived anaerobic digestion of rice straw[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2018, 37(4): 813-819. (in Chinese with English abstract)

Effect of ammonia nitrogen removal by struvite precipitation method on the anaerobic digestion of chicken manure

Li Bowen1, Zhu Hongbin2, Guo Jianbin1※, Dong Renjie1

(1.,,100083,;2..,.,100160,)

Anaerobic digestion has been widely utilized to dispose of agricultural organic wastes. The renewable energy of methane can be produced during the treatment, together with the digestates rich in the nutrients for the fertilizer. However, the ammonia nitrogen can be tended to accumulate during anaerobic digestion, when using a large proportion of protein-rich substrates, such as chicken manure, pig manure, and kitchen wastes. Once the concentration of ammonia nitrogen reaches over 3 000 mg/L in the anaerobic process, the ammonia inhibition is likely to happen, resulting in the decrease of microorganisms’ activities and methane production during anaerobic digestion. Struvite precipitation can be a useful way to remove the ammonia nitrogen and phosphorus in the digestates and wastewater. Many studies have been reported to optimize the reaction conditions, such as the molar ratio of Mg to P, pH level, and temperature, to recover the struvite. However, there are only a few studies to combine struvite precipitation with anaerobic digestion. This study aims to investigate the effect of in-situ struvite precipitation on the anaerobic digestion of chicken manure. The MgCl2·6H2O and K2HPO4·3H2O were mixed into the feeding substrate in the stable running reactors for 6-7 consecutive days to remove NH4+-N. The theoretical removal rate was at the speed of 3 000 mg/d. Some parameters were detected, including the concentration of ammonia nitrogen, methane yield, total volatile fatty acids (TVFA), and pH during anaerobic digestion. After the first operation of adding MgCl2·6H2O and K2HPO4·3H2O, the concentration of ammonia nitrogen and TVFA were reduced from 2 937 to 1 466 mg/L, and 2 317 to 72 mg/L, respectively, whereas, the methane production was 0.39 L/gVS increased by 18%, compared with the control group (0.33 L/gVS), where the utilization rate of magnesium and phosphate was 91%. After the second operation, the concentration of ammonia nitrogen and TVFA were reduced from 2 232 to 762 mg/L, and 2 321 to 25 mg/L, respectively, whereas, the methane production was 0.33 L/gVS increased by 10% approximately, compared with the control group (0.30 L/gVS), where the utilization rate of magnesium and phosphorus was 90%. The results demonstrated that the addition of exogenous MgCl2·6H2O and K2HPO4·3H2O greatly contributed to mitigating the ammonia inhibition by struvite precipitation during the anaerobic digestion. An optimum pH was 8.5-9 (Li et al, 1990) for the struvite precipitation in the nutrient recovery of wastewater. A high utilization rate of magnesium and phosphorus was also achieved, when the pH of the system was 6.9-7.8, due to the high ammonia nitrogen concentration in the system. As such, it can be widely expected to promote the struvite precipitation to consume most of the magnesium phosphate salts. The exogenous MgCl2·6H2O and K2HPO4·3H2O can release H+ in the system, when the struvite was formed the lower pH to consume the alkalinity in the digester, easily leading to the acidification of anaerobic digestion. Consequently, the amount of exogenous MgCl2·6H2O and K2HPO4·3H2O needs to be controlled within a reasonable range for the stable anaerobic process.

methane; fermentation; ammonia nitrogen; struvite

李博文，朱鴻斌，郭建斌，等. 鳥糞石沉淀法脫除氨氮對雞糞厭氧發(fā)酵過程的影響[J]. 農業(yè)工程學報，2021，37(22)：220-225.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.025 http://www.tcsae.org

Li Bowen, Zhu Hongbin, Guo Jianbin, et al. Effect of ammonia nitrogen removal by struvite precipitation method on the anaerobic digestion of chicken manure[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(22): 220-225. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.025 http://www.tcsae.org

2021-08-17

2021-10-29

國家自然科學基金項目（U20A2086）；中德國際研究培訓項目（糧食-飼料-能源玉米生產系統磷資源高效利，328017493/GRK 2366）；中國農業(yè)大學2115人才工程資助

李博文，博士生，研究方向為農業(yè)廢棄物處理與資源化利用技術。Email：bowenlinz@cau.edu.cn

郭建斌，博士，副教授，研究方向為農業(yè)廢棄物處理與資源化利用技術。Email：jianbinguo@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.025

S216.4；X705

A

1002-6819(2021)-22-0220-06