厭氧消化過程氨抑制研究進(jìn)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(yùn)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(jī)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(diǎn)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(shí)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(huì)抑制微生物的正常生命活動(dòng)，尤其是產(chǎn)甲烷菌。

重點(diǎn)介紹了國內(nèi)外厭氧消化氨抑制的機(jī)理研究，詳細(xì)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(diǎn)，這對(duì)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(gè)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(jì)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(jí)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(jī)污染物并可在消化過程中產(chǎn)生可再生能源的特性，在對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物、食物殘?jiān)拔鬯畯S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(duì)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(duì)厭氧消化過程中氨抑制進(jìn)行了大量研究，本文重點(diǎn)歸納了厭氧消化過程氨抑制的形成機(jī)制、影響因素以及應(yīng)對(duì)措施，以期為厭氧消化反應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供一定的借鑒。

1 厭氧消化氨抑制機(jī)理研究

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

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(gè)步驟 ，故厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)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(dòng)下的協(xié)同作用，其中產(chǎn)甲烷菌對(duì)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(yùn)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(duì)氨抑制形成的機(jī)理提出了猜想，例如:產(chǎn)甲烷菌胞內(nèi)pH 變化、維持細(xì)胞正常生命活動(dòng)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(shí)驗(yàn)，推測體系中氨抑制對(duì)產(chǎn)甲烷菌的影響主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)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(dòng)擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，造成質(zhì)子失衡或細(xì)胞內(nèi)缺鉀 。游離氨NH3經(jīng)由被動(dòng)擴(kuò)散進(jìn)入微生物細(xì)胞內(nèi)，結(jié)合胞外質(zhì)子H+轉(zhuǎn)化為NH 4+，進(jìn)而造成細(xì)胞內(nèi)pH 變化。

細(xì)胞為維持胞內(nèi)質(zhì)子平衡，通過細(xì)胞膜上鉀泵消耗能量主動(dòng)運(yùn)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(xì)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(shí)間等影響 。

目前，對(duì)厭氧消化過程中氨抑制機(jī)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(duì)體系中的氨濃度具有更強(qiáng)的耐受能力 。

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