国内外学者发现鸡粪中有机物含量高，且具有易生化降解的特性；鸡粪是一种较为理想的厌氧发酵产沼气的生物质原料[1]。与猪粪和牛粪相比，鸡粪消化过程中具有更高的硫化合物含量(HS-/S2-/H2S)。一方面，S元素是合成产甲烷菌所必需的大量元素之一，高浓度的H2S保障了厌氧微生物对S元素的需求[2-3]。然而，过高的硫化物含量又会对鸡粪厌氧消化的产甲烷性能产生不利的影响。一方面，硫化物形成过程中的硫酸盐还原菌会与产甲烷菌竞争底物(H2和乙酸)，形成竞争性抑制。另一方面，过高的硫化物本身会对产甲烷菌产生毒害作用；同时，硫化物的存在会与金属元素结合在一起形成沉淀，从而严重抑制金属元素，尤其是Fe和Ni元素在厌氧消化过程中的生物有效性[2，4-5]。Zandvoort等[6]指出在处理高硫化物含量的甘蔗酒精釜馏物的反应器中，为维持反应器的稳定运行，需要不断添加Fe的化合物使Fe2+浓度维持在600 mg/L。这表明在高硫化物含量的厌氧消化系统中，金属元素的生物有效性受到了一定的限制。

Fe和Ni元素作为产甲烷菌生长和厌氧消化过程所必需的元素之一，对于维持有机物的厌氧产甲烷性能具有重要作用；Fe和Ni等微量元素不足或其生物有效性降低都会导致厌氧消化系统运行稳定性下降[7]。Raju等[8]和Schmidt[9]指出添加Fe元素提高了芒果废弃物和麻疯树加工废弃物的厌氧消化性能和甲烷产率。Fe元素的促进作用主要是因为Fe提高了产甲烷菌对乙酸的利用率[10]，同时反应基质中有硫酸盐存在时，添加Fe 能够消除由硫酸盐还原引起的硫化物对产甲烷菌的抑制作用[11-12]。国内外学者针对Fe和Ni等微量元素在有机废水和食品加工废弃物厌氧消化中的应用进行了大量研究，然而针对其在鸡粪厌氧消化中的应用报道较少。笔者针对鸡粪厌氧消化过程中高硫化物的特性，通过添加外源Fe元素来探究其对鸡粪中温批式厌氧消化产甲烷性能的影响，以期为鸡粪沼气工程的稳定运行和高效产气提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 鸡粪及污泥特性鸡粪取自某中型养鸡场，取回的鸡粪首先拣去鸡毛、石子等杂物，自然晒干后用高速粉碎机(KS，北京)粉碎至粒径小于2 mm，装袋备用。接种污泥取自某污水处理厂市政污泥中温厌氧发酵罐，中温驯化14 d至不再产气后用作启动该试验的接种物。

1.2 试验装置与设计批式试验装置采用带有丁基胶塞的 250 mL 厌氧发酵瓶，有效发酵体积为 180 mL。发酵浓度设定为 4%VS，污泥接种量为 150 mL，Fe2+和Ni2+的添加形式分别为FeCl2·4H2O和NiCl2·6H2O，添加浓度分别为500.0和2.9 mg/L，每组设置3个平行，同时设定2组空白对照，即只含有接种污泥的对照组和没有添加金属元素的空白对照组，试验方案如表1所示。采用1 mol/L HCl或1 mol/L NaOH调节发酵液初始pH为(7.)[13]，并通入高纯度N2约2 min 排空发酵瓶中的空气达到厌氧环境。每组试验设置3个重复，每天手动摇晃3次。待各厌氧瓶加料完成后放置于恒温发酵室[(37±1)℃]中，每天采用史氏发酵管排饱和食盐水法测定沼气日产气量，定期测定发酵系统中pH、可溶性COD浓度以及挥发性脂肪酸浓度。

表1 试验方案Table 1 The experimental scheme组别GroupFeCl2·4H2O添加量Adding amount ofFeCl2·4H2O∥mgNiCl2·6H2O添加量Adding amount ofNiCl2·6H2O∥mg鸡粪添加量Adding amount ofchicken manure ∥g接种量Inoculation amount∥mL污泥Sludge000150对照组Control 处理1 Treatment 1(500.0 mg/L Fe2+)0..5150处理2 Treatment 2(2.9 mg/L Ni2+)

1.3 试验监测方法总固体(TS)和挥发性固体(VS)含量分别采用干燥法和灰化法测定[14]；pH采用玻璃电极法(Orion 5-Star型，美国)测定；碳含量、氮含量采用元素分析仪(Vario EL cube型，德国)测定；纤维素、半纤维素、木质素含量根据范氏洗涤法采用纤维素分析仪(ANKOM 220i，美国)测定[15]；可溶性化学需氧量(SCOD)使用HACH比色计进行测定(DR2800)[16]。

1.4 动力学模型厌氧消化是一个复杂的微生物反应过程，对厌氧消化过程进行动力学模型分析可将复杂的厌氧消化过程用简单的数学表达式来描述。复杂有机物的批式厌氧消化产沼气过程可看作是微生物生长的一个函数，除关注厌氧消化过程中的以及降解动力学常数外，还需特别关注复杂固体有机废弃物的厌氧消化滞留期。Zhang等[17]指出有机物的降解过程可采用修正的Gompertz方程来预测其发酵趋势和计算其滞留期，该方程为典型的“S”型曲线模型：

式中，M(t)为发酵时间为t时的甲烷累积产量(mL/g)，Mmax为原料的最大产甲烷潜力(mL/g)，Rmax为最大产甲烷速率[mL/(g·d)]，λ为延滞期(d)，t为发酵时间(d)，exp(1)=2.718 3。