【解析】污水处理厌氧消化技术-第2页-北极星环保网

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2氨抑制解除技术与方法

当前应对氨抑制的解除技术主要通过两个方面来进行，一是降低高浓度氨，尤其是FAN，通过对pH、温度、碳氮比等因素的调节来完成;二是驯化产甲烷菌种群，通过填料固定、元素添加等方式增强微生物对高浓度氨氮的耐受性，从而使厌氧消化可以在氨氮浓度较高的情况下进行。

2.1高浓度氨的消除

2.1.1pH控制

系统的pH不仅对微生物生理活性存在影响，而且与反应体系内FAN浓度的高低直接相关，FAN与pH的关系如式(1)所示，随着pH的升高，FAN浓度逐渐增加(当温度分别为25、35、55℃时，Kα分别为5.64×10-10、1.097×10-9和3.33×10-9)〔25〕。

式中：CFAN——FAN的质量浓度，mg/L;

CTAN——TAN的质量浓度，mg/L;

Kα——氨的解离常数。

由较高pH带来的高浓度FAN严重抑制产甲烷菌正常代谢，造成挥发性脂肪酸(VFAs)的累积，降低了系统pH，最终FAN、VFAs和pH相互作用使整个厌氧消化系统达到一种“抑制平衡状态”，这种状态下系统的甲烷产量很低，厌氧消化难以进行。有研究表明氨抑制作用与系统内FAN水平直接相关，而非铵离子的影响。因而可以通过控制pH降低FAN浓度来减轻氨的毒性作用。

P.Shanmugam等〔27〕处理皮革废水，将pH从8.5降低至6.5获得了最佳产气效果，累积沼气产量6518mL。G.Zeeman等〔28〕在TAN为3000mg/L时，将系统pH从7.5调节至7.0，也发现甲烷产量提高了4倍。此外，M.Kayhanian等〔29〕研究高温厌氧消化时发现，pH为7.2，TAN为1000mg/L的条件下系统中对应FAN质量浓度为55mg/L(氨抑制安全阈值);然而pH升高至7.5，TAN仅为400mg/L时，对应FAN浓度便达到这一安全浓度，因而M.Kayhanian建议高温厌氧系统pH应控制在7.0左右。

2.1.2温度控制

温度对微生物的生长速率和FAN浓度均有影响，通常在保证产甲烷菌活性的前提下，厌氧消化工艺选择在中温(30~40℃)和高温(50~60℃)两个范围下进行。由式(1)知FAN浓度与Kα相关，由于Kα与温度成正相关，随温度升高厌氧消化系统内高微生物活性和FAN浓度都会得到提高，因而产甲烷菌的代谢活动有可能受到抑制。研究了FAN浓度与厌氧消化温度和pH的具体关系，结果表明：相同pH条件下，系统反应温度越高，FAN所占TAN比例越大。

研究者发现，高温产甲烷菌相比中温产甲烷菌对氨抑制具有更强的耐受能力。C.Gallert等〔30〕利用厌氧消化处理有机垃圾，中温条件下甲烷产量在氨质量浓度为220mg/L时降低了50%;而高温条件下，氨质量浓度为690mg/L时才引起甲烷产量50%的下降幅度。然而，就整个系统而言，高温厌氧消化过程相对中温厌氧消化过程更容易受到FAN抑制作用。A.G.Hashimoto等〔31〕将氨质量浓度逐步提高超过3000mg/L时，高温消化系统难以维持，而中温系统能在4000mg/L的条件下继续运行。此外，I.Angelidaki等〔32〕在40~64℃范围内研究认为，当FAN质量浓度超过700mg/L时，为保证系统不受氨抑制应当控制反应温度在55℃以下。

2.1.3调节碳氮比

过高的碳氮比会引起系统氮源的不足，无法充分消耗碳源;低碳氮比又可能造成氨的积累而抑制厌氧消化，因而选择合适的碳氮比对厌氧反应器消除氨抑制作用及其稳定运行至关重要。M.Kayhanian等〔29〕对一定范围碳氮比(8~125)下的厌氧消化反应进行了研究，结果发现控制碳氮比在27~32时最有利于阻止氨抑制现象发生和保持产气稳定。在此基础上，O.P.Karthikeyan等〔33〕进一步研究了两种碳氮比(27和32)下的氨抑制作用，结果表明，当碳氮比为32时，系统中的氨浓度相比碳氮比为27时减少了30%。

碳氮比的调节一般可通过不同反应底物间的混合来完成，相比其他方法，具有经济合理、易于操作和增加产气量等优点。P.Shanmugam等〔27〕利用城市生活垃圾与皮革废水混合调节碳氮比为15时，得到最大产气量并控制了氨抑制。但是，碳氮比的调节过程相对较为缓慢，必须在系统被完全抑制之前进行，如果氨抑制作用下系统已经出现VFA积累、pH下降等现象，即使调节至合适的碳氮比，系统也难以从抑制状态恢复〔29〕。

2.2微生物的强化

2.2.1产甲烷菌驯化

驯化接种是增强产甲烷菌氨适应性的有效途径之一。随着系统内氨浓度缓慢增加，微生物可以逐渐适应较高氨浓度的环境。通常，TAN质量浓度为3000mg/L时可完全抑制产甲烷菌，但经过驯化的产甲烷菌可以在高于3000mg/L的环境中生存。I.Koster等〔12〕实验发现驯化后的厌氧消化系统在质量浓度高达11800mg/L的环境下仍然能产生甲烷。而A.G.Hashimoto等〔31〕对比未驯化和驯化的厌氧系统，发现引起氨抑制时的临界TAN质量浓度分别为2400、4000mg/L。

很多研究者都观察到经驯化的产甲烷菌对氨的耐受性明显提高，但是对这种抗性的产生机理还未达成共识，可能是产甲烷菌改变了自身合成甲烷的途径或是新的高抗性产甲烷菌种的出现。F.Lü等〔34〕在研究酸和氨协同作用对产甲烷途径改变的影响时发现，随乙酸含量和氨浓度升高，甲烷合成途径开始由乙酸利用型产甲烷菌降解乙酸途径向由互养型乙酸氧化(SAO)细菌与H2利用型甲烷菌的共生菌团降解乙酸途径转化;当TAN超过6000mg/L，甲烷完全由共生降解途径合成。然而，I.A.Fotidis等〔19〕在类似的研究中却发现了相反的转化，在经过高浓度氨和乙酸环境中驯化后的系统中提高氨浓度，结果产甲烷途径由SAO细菌与H2利用型产甲烷菌(Methanobacterialesspp.和Methanomicrobialesspp.)共生途径转变为乙酸利用途径(Methanosarcinaceaespp.);未驯化的系统暴露于7000mg/L环境时，未观察到产甲烷的途径发生转变，而Methanosarcinaceaespp.为主要的产甲烷菌。

最近的研究中，Methanosarcinasp.(甲烷八叠球菌)作为一种具有超强耐受性的产甲烷菌被重新提出〔35〕。Methanosarcinasp.可以利用乙酸或H2两种途径合成甲烷，并且其形成的菌落拥有较大的比表面积，这些特征使Methanosarcinasp.可以在7000mg/L等严酷条件下生存，因而有研究者认为，将SAO细菌与Methanosarcinasp.构成的共生菌团接种于反应器中能够提高厌氧消化过程的稳定性。但是近期一些关于接种SAO共生菌团的研究并未成功〔36〕，可能是由于产甲烷菌生长速率过慢导致。

原标题：污水处理厌氧消化技术

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