厌氧消化过程氨抑制研究进展

2 厌氧消化氨抑制影响因素及消除措施

氨抑制往往会给厌氧消化系统带来严重影响，甚至最终导致系统崩溃。因此，许多研究探讨了氨抑制的影响因素及其延缓或消除措施。主要包括微生物驯化、pH 值调节、温度控制、C/N 比调节等。

2. 1 微生物驯化

体系中高浓度氨氮可以直接抑制微生物活性，这往往是导致厌氧消化反应器失效的首要原因。研究表明，处理低氨氮浓度废水的厌氧消化反应器对系统中高氨氮浓度常具有更好的适应性。

通过逐步提高体系氨氮水平，对厌氧消化体系微生物进行驯化，可以提高产甲烷微生物种群对氨氮的耐受程度，是一种有效且经济的方式。

Abouelenien 等 通过对系统中微生物长达 254 天的驯化，最终实现体系在高氨氮浓度下产气量达到31 mL/g(VS)。Sung 和 Liu 的研究结果表明，尽管在高氨氮驯化下，体系中产甲烷菌整体的活性下降，但其对氨氮及 pH 变化的耐受性得到了强化。

Gao 等通过原位逐步进行氨耐受能力驯化，最终实现厌氧消化反应器在体系总氨氮达到4 275 mg/L 时依旧正常有效地运行。

尽管许多研究证实，通过驯化能够加强体系内微生物对不同氨氮浓度的适应能力，但其究竟是由于体系内已有微生物的代谢途径得到了转变，还是驯化出了能够适应高氨氮浓度的新生微生物群体，并未达成共识。

Gao 等 研究表明，在厌氧消化体系内总氨氮浓度从 2 341 mg/L(阶段1)变化至4 293 mg/L(阶段 5)的范围内，产甲烷杆菌(Methanobacteriaceae)相

对丰 度 由 阶 段 1 的 36. 16% 增 加 至 阶 段 5 的69. 73%，增长率达到 92. 84%。而产甲烷鬃菌科(Methanosaetaceae)及产甲烷球菌科(Methanosarcinaceae)相对丰度分别由阶段 1 的 31. 01% 和 26. 81% 降至8. 13% 和 2. 77%。在高氨氮浓度下，氢营养型产甲烷菌逐渐占据优势，而乙酸利用型产甲烷途径成为厌氧消化产甲烷过程的限速步骤 。

研究表明，当厌氧消化系统中氨浓度超过 3 g/L 时，体系中乙酸利用型产甲烷菌开始受到抑制，互养型乙酸氧化菌(SAOB)活性逐渐增强，其可将乙酸降解为氢气和二氧化碳，进而通过氢营养型产甲烷菌合成甲烷 。

Karakashev 等 研究也表明，随着体系中氨浓度升高，互养型乙酸氧化菌(SAOB)的活性逐渐超过乙酸利用型甲烷菌，在消耗乙酸的过程中占据优势。

2. 2 pH 值调节

厌氧消化体系的 pH 值不仅与微生物正常生命活动息息相关，且与体系中游离氨浓度具有紧密联系。由式(1) 可知，随着体系中 pH 上升，系统中NH+4会更多地转化为游离氨分子(NH₃)。

而体系中产甲烷菌对氨浓度最为敏感，其活性首先受到影响，进而导致 VFA 积累，当其累积到一定程度时，体系中pH 随之下降，最终导致系统产气量下降，甚至崩溃。体系中 pH 值的有效控制对减缓氨抑制的影响至关重要 。

2. 3 温度控制

温度被认为是影响体系氨抑制阈值的显著性因素，其与厌氧消化系统中微生物生长速率及游离氨浓度(见式(1))联系密切。一般认为，随着温度升高，微生物新陈代谢速率加快的同时，也会导致体系中游离氨浓度相应增加。

此外，许多学者研究发现，对于高含氮有机废物，高温(50 ～ 60 ℃)厌氧消化较中温(30 ～40 ℃)厌氧消化更易受到氨抑制的影响，从而导致系统不稳定。

Hejnfelt 和 Angelidaki 对屠宰场废弃物进行厌氧消化，结果表明，高温厌氧反应器(55 ℃)最终体系总氮浓度达到 7 000 mg/L(游离氨浓度达到 999 mg/L)时受到抑制，而中温厌氧反应器(37 ℃)在游离氨浓度 达 到 400 mg/L 时 仍 稳 定 运 行。

Gallert 和Winter 通过设计两组生活垃圾厌氧消化反应器，反应温度分别为 37，55 ℃，当两组反应器分别达到50% 抑制时，其对应的游离氨浓度分别为 220，690 mg/L。然而，Masse 等 研究猪粪低温(10 ℃)厌氧消化，发现低温厌氧消化较高温及中温厌氧消化对系统高氨氮浓度耐受性更高，推测可能的原因是在低温条件下，体系游离氨浓度占总氨氮比值较低。

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