厭氧消化過程氨抑制研究進展

隨著厭氧消化理論研究的不斷深入,厭氧消化工藝的研發(fā)和應(yīng)用取得了迅速的發(fā)展,但處理效率低和!運行穩(wěn)定性差是厭氧消化中普遍存在的問題,其中氨積累引發(fā)氨抑制是主要原因之一。文章簡述了厭氧消化過程中氨抑制產(chǎn)生的機理及氨抑制的主要影響因素,介紹了氨抑制過程中微生物變化規(guī)律研究現(xiàn)狀,總結(jié)了消除和緩解氨抑制的方法,并提出了厭氧消化氨抑制的重點研究方向。

厭氧消化作為一種可獲得能源的可持續(xù)生物處理技術(shù)，在實際工程中得到了廣泛應(yīng)用。在厭氧消化過程中，氨抑制被認(rèn)為是影響其整體效能的重要因素。雖然氮是厭氧消化系統(tǒng)中微生物新陳代謝所必須的元素，但是厭氧消化體系中過高的氨氮往往會抑制微生物的正常生命活動，尤其是產(chǎn)甲烷菌。

重點介紹了國內(nèi)外厭氧消化氨抑制的機理研究，詳細闡述了其主要的影響因素和消除措施，包括微生物馴化、pH 值調(diào)節(jié)、溫度控制及C/N 比調(diào)節(jié)等，為厭氧消化技術(shù)工程應(yīng)用的未來研究提供一定的借鑒和參考。

pH做為基本的污水指標(biāo)，勢必成為供求的熱點，這對廣大的E-1312 pH電極，S400-RT33 pH電極制造商，比如美國BroadleyJames來說是個重大利好。美國BroadleyJames做為老牌的E-1312pH電極，S400-RT33 pH電極制造商，必將為中國的環(huán)保事業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。我們美國BroadleyJames生產(chǎn)的E-1312 pH電極，S400-RT33 pH電極經(jīng)久耐用，質(zhì)量可靠，測試準(zhǔn)確，廣泛應(yīng)用于各級環(huán)保污水監(jiān)測以及污水處理過程。

厭氧消化作為一種能獲得能源的可持續(xù)生物處理技術(shù)，其消化過程可以生成生物質(zhì)能(主要為甲烷CH 4 ，含量為60% ～70%)，是一種前景并可緩解氣候變化的綠色能源 。

厭氧消化因具有穩(wěn)定降解有機污染物并可在消化過程中產(chǎn)生可再生能源的特性，在對農(nóng)業(yè)廢棄物、食物殘渣及污水廠剩余污泥等固體廢棄物的無害化處理及資源化利用中得到了廣泛應(yīng)用 。在厭氧消化過程中，發(fā)酵物料內(nèi)的含氮物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、尿素和核酸等，在微生物的作用下終被轉(zhuǎn)化為氨氮(包括游離氨NH3及NH+4) 。

盡管氨氮是厭氧消化過程厭氧微生物所必須的營養(yǎng)物，且一定濃度的氨氮可以為消化過程提供良好的緩沖作用，但是體系中過高濃度的氨氮對微生物有抑制作用，這被認(rèn)為是導(dǎo)致厭氧消化反應(yīng)系統(tǒng)崩潰的主要因素 。近年來，國內(nèi)外對厭氧消化過程中氨抑制進行了大量研究，本文重點歸納了厭氧消化過程氨抑制的形成機制、影響因素以及應(yīng)對措施，以期為厭氧消化反應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供一定的借鑒。

1 厭氧消化氨抑制機理研究

對厭氧消化過程中氨抑制形成機理的研究很多，但這些研究還不夠完善，沒有統(tǒng)一的共識。

厭氧消化過程通常包括物質(zhì)溶解、水解、酸化、乙酸化及產(chǎn)甲烷五個步驟 ，故厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行主要取決于水解發(fā)酵菌、產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌等微生物在正常生理活動下的協(xié)同作用，其中產(chǎn)甲烷菌對體系中氨濃度的耐受性差 。

而氨抑制通常表現(xiàn)為穩(wěn)定運行的厭氧消化體系中沼氣產(chǎn)量下降以及揮發(fā)性脂肪酸VFA 的積累 。許多研究者對氨抑制形成的機理提出了猜想，例如:產(chǎn)甲烷菌胞內(nèi)pH 變化、維持細胞正常生命活動所需的能量增加以及特定的酶促反應(yīng)受到抑制等 。

在厭氧消化水溶液中，NH+4離子和游離氨(NH3)是氨存在的兩種主要形式。游離氨由于其良好的滲透性，被認(rèn)為是導(dǎo)致體系受到抑制的主要因素。

有學(xué)者通過純菌種培養(yǎng)實驗，推測體系中氨抑制對產(chǎn)甲烷菌的影響主要體現(xiàn)在以下兩個方面:

1)NH+4離子可能直接抑制了甲烷合成所需酶的活性;2)疏水的游離氨分子可能通過被動擴散進入細菌細胞內(nèi)，造成質(zhì)子失衡或細胞內(nèi)缺鉀 。游離氨NH3經(jīng)由被動擴散進入微生物細胞內(nèi)，結(jié)合胞外質(zhì)子H+轉(zhuǎn)化為NH 4+，進而造成細胞內(nèi)pH 變化。

細胞為維持胞內(nèi)質(zhì)子平衡，通過細胞膜上鉀泵消耗能量主動運輸，將胞內(nèi)鉀離子移出至胞外，以維持胞內(nèi)pH，由此增加了細胞維持能的需求并限制了一些特定的酶促反應(yīng)。

關(guān)于氨抑制閾值(見表1)的研究較多，Hejnfelt和Angelidaki 研究發(fā)現(xiàn)，在厭氧消化系統(tǒng)總氨氮濃度為1 500 ～7 000 mg/L 內(nèi)均有可能發(fā)生氨抑制現(xiàn)象。而不同的厭氧消化系統(tǒng)氨抑制閾值的差異主要受消化基質(zhì)及接種物料特性、消化溫度、系統(tǒng)內(nèi)pH及馴化時間等影響 。

目前，對厭氧消化過程中氨抑制機理的研究，主要集中于體系中產(chǎn)甲烷菌的種群結(jié)構(gòu)及多樣性隨氨濃度增加的變化。有學(xué)者研究表明，在厭氧消化過程中，氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌較乙酸型產(chǎn)甲烷菌對體系中的氨濃度具有更強的耐受能力 。

Gao 等 通過設(shè)計餐廚垃圾厭氧消化反應(yīng)器試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著體系中氨濃度不斷提升，試驗終階段反應(yīng)器內(nèi)的輔酶F 420 (CoF 420 )的相對活性為初階段的2. 4 倍，增加率達到114%。

由于CoF 420 的生化作用是低電位電子轉(zhuǎn)移載體，特異性的將碳酸氫鹽還原為氫氣，進而被氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌利用合成甲烷，從而證明隨著反應(yīng)器中氨濃度的提升，氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌逐漸占據(jù)優(yōu)勢，這促進了特異性CoF 420 的活性。

Niu 等利用16S rRNA 分子生物學(xué)技術(shù)研究氨氮對雞糞高溫厭氧消化過程中，產(chǎn)甲烷菌群落隨體系中氨氮濃度不同的變化。

結(jié)果表明，氫營養(yǎng)型的甲烷熱桿菌屬(Methanothermobacter)由初始階段的9. 3% 發(fā)展至氨抑制階段的95%，大大超過乙酸營養(yǎng)型的甲烷八疊球菌屬(Methanosarcina)，在高氨氮體系的產(chǎn)甲烷過程中占主導(dǎo)地位。Demirel 及Scherer 的研究也得出了相同的結(jié)論。