厌氧消化过程氨抑制研究进展_杜连柱

第30卷第4期2012年4月

可再生能源

Renewable Energy Resources

Vol.30No.4Apr. 2012

厌氧消化过程氨抑制研究进展

杜连柱1，杨继东2，张克强1，梁军锋1，崔文文1

（1. 农业部环境保护科研监测所，天津

300191；2. 中海油天津化工研究设计院，天津300131）

摘

要:随着厌氧消化理论研究的不断深入，厌氧消化工艺的研发和应用取得了迅速的发展，但处理效率低和

运行稳定性差是厌氧消化中普遍存在的问题，其中氨积累引发氨抑制是主要原因之一。文章简述了厌氧消化过程中氨抑制产生的机理及氨抑制的主要影响因素，介绍了氨抑制过程中微生物变化规律研究现状，总结了消除和缓解氨抑制的方法，并提出了厌氧消化氨抑制的重点研究方向。关键词:厌氧消化；氨抑制；氨氮；挥发性脂肪酸；模型预测中图分类号：TK6；S216.2

文献标志码：A

文章编号：1671-5292（2012）04-0070-05

A review on research of ammonia inhibition in anaerobic digestion

DU Lian-zhu 1，YANG Ji-dong 2，ZHANG Ke-qiang 1，LIANG Jun-feng 1，CUI Wen-wen 1

（1. Institute of Agro-environmental Protection, Ministry of Agriculture of China, Tianjin 300191, China ；2. CNOOC

Tianjin Chemical Research &Design Institute, Tianjing 300131, China ）

Abstract :Anaerobic digestion process have a rapid development with the advanced research of anaerobic digestion theory, but low efficiency and stability was a common problem we must face, and the ammonia inhibition induced by ammonia accumulation was the key factor. In this paper, the mechanism and factors of ammonia inhibition were introduced, and the methanogenism dynam -ic during ammonia inhibition as well as the methods of alleviating and eliminating ammonia inhi -bition were summarized simply. In the last, it provided the promising research fields of ammonia inhibition during anaerobic digestion.

Key words :anaerobic digestion ；ammonia inhibition ；ammonia-nitrogen ；volatile fat acid ；model prediction 0

引言

厌氧消化工艺由于可产生清洁能源—沼气而成为有机废弃物无害化处理和资源化利用的首选。含氮有机废弃物厌氧消化过程中氮类物质如蛋白、尿素和氨基酸等物质被转化为氨氮（NH 3和NH 4+），而目前厌氧消化工程常采用消化液回流的方式提高进料温度、保持生物量及节约稀释

收稿日期：2011-11-15。

基金项目：国家自然科学基金项目（51008163）。

作者简介：杜连柱（1979-），男，辽宁铁岭人，副研究员，博士，主要从事农业固体废弃物资源化处理研究工作。E-mail:[email protected]通讯作者：张克强（1968-），男，湖北武穴人，研究员，博士，主要从事农业废弃物资源化处理研究工作。E-mail:[email protected]

!

用水，使长期运行的厌氧消化体系总氨氮（TAN ）浓度逐渐升高，虽然氨氮是厌氧消化微生物的营养物质，但如果浓度超过一定值后对微生物具有抑制作用，最终产生氨抑制现象，导致厌氧处理工程运行障碍，甚至可能导致厌氧处理系统运行失败[1]~[3]。

目前, 国内外针对厌氧消化氨抑制开展了大

·70·

杜连柱，等厌氧消化过程氨抑制研究进展

量的研究，重点主要集中在氨抑制产生机理、pH 、氨氮浓度、温度等对氨抑制的影响、氨抑制过程中功能微生物群落变化及氨抑制的恢复方法研究，取得了大量的研究成果，虽然部分研究结果未取得共识、甚至存在较大争议，但总体上对改进厌氧消化工艺、预防和控制氨抑制起到了积极的促进作用。

性降低10%，当浓度在4090～5550mg/L时，甲烷菌的活性降低50%，而氨氮浓度达到5880～

6600mg/L时，产甲烷菌活性则完全丧失[7]。同时

应该注意的是，不论产甲烷菌还是产氢产乙酸都有适宜的pH ，如果不能将pH 调整至适当的范围，尽管氨氮浓度未达到抑制水平，也将导致运行失败。

不同的接种微生物对氨氮的耐受程度不同，差别可达到4.2~10.0g/L，经过高浓度氨氮驯化过的产甲烷菌对氨抑制具有更高的抵抗能力。当pH 为7.5时，80～100mg/L的游离氨对未驯化的微生物具有明显的抑制作用[8]，而经过高浓度氨氮驯化的接种污泥产生抑制的氨氮浓度则显著增加，其中，乙酸利用型产甲烷菌对游离氨的耐受浓度为700mg/L，而H 2利用型产甲烷菌对游离氨的耐受浓度则达到1200mg/L[9]，这是由于产甲烷微生物中，乙酸利用菌比氢利用菌对游离氨更敏感的缘故，而厌氧消化产甲烷体系中2/3的甲烷产生于乙酸，因此，乙酸利用型产甲烷菌受到抑制将严重影响厌氧处理效率。

1厌氧消化氨抑制研究进展

厌氧发酵原料中大部分有机氮经氧化还原脱

1.1厌氧消化氨抑制形成机理

氮反应生成氨，生成的氨在消化体系内以NH 4+和

NH 3两种形态存在，NH 4+-N 是微生物的营养物

质，但由于厌氧微生物细胞增殖缓慢，只有少量的

NH 4+-N 用于细胞合成，因此在高含氮原料厌氧消

化体系中氨氮浓度往往较高，从而对产甲烷过程产生不利影响。关于厌氧消化过程中氨氮产生抑制的原因，目前尚未有统一结论。其中被广泛认同的是，游离氨（NH 3）是产生抑制作用的主要原因。其抑制机理为①游离氨直接抑制了甲烷合成酶的活性；②游离氨为疏水性分子，通过被动扩散作用进入细胞，改变了细胞内外质子平衡和钾的缺乏。另外，进入细胞的游离氨在细胞内转变为铵，铵在细胞内积累改变了细胞内的pH ，从而对细胞产生毒害作用[2]，[3]。但J.J.Lay 认为，产甲烷菌的活性取决于NH 4+的浓度，而不是NH 3的浓度，而且NH 4+和NH 3在驯化和非驯化的系统中的影响是不同的，在一个经良好驯化的微生物系统中，NH 4+是比

VFA 浓度是厌氧消化体系中非常重要的参

数，与氨抑制具有密切联系。高浓度氨氮可抑制产甲烷作用，导致VFA 累积，VFA 浓度超过临界值，使pH 降低，进而发生VFA 抑制，使产甲烷菌活性进一步降低，最终形成“抑制的稳定状态”[8]，高浓度氨氮的触发作用以及高浓度VFA 的加剧效应可导致厌氧消化处理系统的崩溃，并具有突然性[1],[10],[11]，因此氨氮、VFA 和pH 的协同作用直接影响厌氧消化处理效果。有文献报道，牛粪中温厌氧消化过程中，当pH=7时，游离氨约占总氨氮的

NH 3更重要的影响产甲烷菌活性的因素[4]。1.2厌氧消化氨抑制影响因素研究

在厌氧消化氨抑制相关研究中，关于氨抑制浓度阈值和不同浓度下抑制程度的报道最多，但是由于氨抑制浓度受pH ，VFA ，接种物和温度等诸多条件影响，使研究结果差异很大。一般情况下，NH 4+浓度在50～200mg/L时对细菌是有益的，在200～1500mg/L时未表现出明显的副作用[5]。

厌氧消化体系中，pH 值直接影响总氨氮（TAN ）中游离氨（NH 3）和NH 4+的相互转化，而游离氨对产甲烷菌活性的影响是引发氨抑制的主要因素[6]，因此研究氨抑制浓度阈值及抑制程度必须明确发酵体系的pH 。研究表明：在pH 为6.5～

1%，而pH=8时则增加到10.2%；当pH 从7.5调节至7.0时，沼气产量提高了4倍；在pH=8时，消

化体系出水VFA 浓度可达316mg/L，当pH 调节至7.4时，出水VFA 浓度降低至20mg/L。唐崇俭在研究猪场废水氨抑制效应时发现：当游离氨浓度较低、猪场废水中VFA 浓度为1000~3000mg/L时，出水VFA 浓度低于200mg/L，VFA 去除率高达80%～92%，在游离氨超过临界抑制浓度（100~

120mg/L）后，反应液VFA 浓度高于2000mg/L，超

过其对厌氧生物处理的临界抑制浓度（1000mg/L），反应器运行性能严重恶化[1]。因此，明确厌氧消化过程中总氨氮、VFA 和pH 之间的

·71·

8.5时，甲烷菌的活性随氨氮浓度的增加而降低，当氨氮浓度在1670～3720mg/L时，甲烷菌的活

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相互作用及相互协调对厌氧消化效果影响, 对研究氨抑制、提高厌氧消化系统运行效率是非常有意义的。

2012，30（4）

运行的主要障碍之一，而厌氧消化过程的复杂性及氨抑制影响因素的多样性决定了开展厌氧消化氨抑制模拟、预测研究的必要性。厌氧消化1号模型（ADM1）自2002年推出后，在厌氧消化研究和厌氧处理实际应用等方面引起了广泛关注[19]~[21]，已应用在生物膜反应器、活塞流反应器和固相消化反应器等工艺运行效果的模拟和预测中，取得了较好的效果

[22]，[23]

1.3氨抑制对产甲烷微生物影响研究

厌氧消化氨抑制是一个复杂的生化反应过程，已有研究主要集中在氨抑制过程中氨抑制的浓度阈值及pH 、温度、产甲烷菌驯化等因素对氨抑制的影响，对抑制过程中功能微生物种群结构动态变化及氨抑制对微生物适应性变化等缺乏深入研究[12]～[15]。有限的文献介绍了利用16S rRNA 分子生物学手段如DGGE,FISH,DNA 序列分析等方法研究氨氮浓度对产甲烷菌的多样性及数量变化。如Largus T Angenent 在利用ASBR 反应器处理猪场废弃物时，研究了氨氮浓度从2000mg/L升高至3600mg/L过程中产甲烷菌的种群变化。结果表明，甲烷八叠球菌属（Methanosarcina ，乙酸利用型产甲烷菌）16S rRNA 水平占总16S

。如Fezzani Boubaker 采用改进

ADM1模型模拟研究了橄榄油厂废水与橄榄油厂

固体废物中温厌氧消化过程[24]。结果表明，ADM1模型不仅准确地预测了不同进料浓度、不同水力停留时间条件下厌氧消化产气量，甲烷和二氧化碳含量、pH 值及出水总挥发性脂肪酸浓度，而且成功预测了HRT 为12d 和24d 时出水氨氮情况。Ivan Ramirez 利用ADM1拓展模型模拟升流式厌氧污泥过滤床反应器处理屠宰废水厌氧消化过程[25]。结果表明，该模型在评估屠宰废水中温发酵氨氮浓度逐渐升高条件下，CSTR 反应器的性能和微生物群落结构之间的关系时具有很好的适用性。贾传兴研究了有机垃圾序批式水解-UASB 两相厌氧消化体系中各种氮素转化特性，建立了消化液回用时氨氮累积模型，认为消化液回流比是有机垃圾厌氧消化中氨氮积累的关键控制参数[26]。

rRNA 的比例从3.8%降至1.2%，古细菌（Meth-anosaeta concilii ）的16S rRNA 水平依旧保持在2.2%以下；氢利用型产甲烷菌的16S rRNA 水平

占总16S rRNA 的比例则从2.3%提高至7.0%，但甲烷生成和反应器运行状况均未受影响，说明在高氨氮浓度运行条件下，产甲烷的主要途径是通过氢利用型甲烷菌和乙酸氧化型甲烷菌的互生关系[16]。Shigeki Sawayama 采用real-time PCR 技术研究氨氮浓度对厌氧流化床反应器中产甲烷微生物量的影响[17]。结果表明：当氨氮浓度从500mg/L升高至3000mg/L时，产甲烷微生物拷贝数降低了66.0%，当氨氮浓度为6000mg/L时，产甲烷微生物拷贝数降低了92. 6%，而当氨氮浓度为

1.5厌氧消化氨抑制消除措施研究

为提高富氮废弃物厌氧消化的处理效率及系统稳定性，国内外学者对如何减轻或消除厌氧消化过程中氨抑制进行了大量的研究。其中，对发酵原料进行稀释或调整进料的C/N被认为是最有效和应用最广泛的方法，但由于稀释导致消化反应器体积庞大，存在投资高、废水排放量大、经济效益差等问题；通过多原料混合发酵，如将畜禽粪污与高炭有机废弃物按比例混合，调整至适宜的

9000mg/L时，产甲烷微生物则未检出。Minkyung Song 采用实时定量PCR （TaqMan QPCR ）方法研究高氨氮猪场废水UASB 反应器内

产甲烷菌种群动态变化[18]。研究结果表明，在氨氮浓度为0.9～2.6g/L时，氢营养型产甲烷菌（Methanobacteriales and Methanomicrobiales ）占总甲烷菌16S rRNA 基因浓度的95.8±2.2%，乙酸营养型甲烷菌（Methanosaetaceae and Methano-

C/N后进行厌氧消化[27]，[28]，不但可以避免氨抑制，

而且有利于提高原料转化率，是行之有效且经济可行的措施；化学沉淀或矿物质吸附[29]~[31]也是研究、应用较多的消除氨抑制的方法，如在厌氧消化池中加入定量的镁盐或正磷酸盐使氨氮以不溶的鸟粪石析出。加入天然沸石通过吸附作用降低体系氨氮浓度以避免氨抑制；利用厌氧消化出水pH 较高的特点，经简单调节后，采用空气吹脱或气提方法去除氨氮也有所应用[32]：两相厌氧消化系统

sarcinaceae ）则占总16S rRNA 浓度的3.7±1.0%，

从而明确了高氨氮条件下甲烷生成的主要途径。

1.4厌氧消化氨抑制模型研究

氨抑制是影响高氮废弃物厌氧消化系统稳定·72·

杜连柱，等厌氧消化过程氨抑制研究进展

对氨氮抑制具有更强的抵抗能力，同时可提高消化系统的有机负荷率，因此选择两相厌氧消化替代单相厌氧消化处理高含氮废弃物也有所研究。另外，可以对厌氧消化产甲烷微生物进行高浓度氨氮驯化或通过直接投加高氨氮耐受菌种的方法，提高消化系统产甲烷微生物对氨氮耐受能力，减轻氨抑制对厌氧消化系统转化效率和系统稳定性的不利影响。

改进厌氧消化工艺、优化厌氧工程设计、提高厌氧消化工程稳定性及能源转化率提供可靠的理论依据和数据支持。

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2展望

目前，国内外针对厌氧消化过程中的氨抑制

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进行了大量的研究，但主要集中在产生氨抑制的浓度阈值以及不同氨氮浓度对产甲烷菌活性影响，对厌氧消化过程中微生物种群动态变化、模型模拟预测等研究相对不足。笔者认为关于厌氧消化氨抑制研究的后续工作应着重以下三方面：

（1）加强总氨氮（TAN ）/游离氨（FA ），VFA 和

[3][4]

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（1）：104-111.

pH 之间的相互作用及协同作用下氨抑制形成和

影响研究，避免“抑制的稳定状态”对厌氧消化过程的影响，提高厌氧消化效率。

（2）深入研究氨抑制对产甲烷菌种群结构、数量的动态变化影响，从而为分析高浓度氨氮条件下产气途径、明确氨抑制机理及制定氨抑制解决措施提供科学依据。

（3）氨氮抑制虽具可逆性，一旦发生，需要一定时间恢复，影响厌氧消化的稳定性和连续性，因此对氨抑制进行准确的模拟、预测，并做好预警工作，是厌氧消化氨抑制研究的一项重要内容。

我国高含氮废弃物（如畜禽粪污等）产生量逐年增加，对生态环境构成严重威胁。厌氧消化工艺不仅可对这些高污染负荷的废弃物进行无害化处理，同时可产生清洁能源，因而成为研究的热点，并得到了广泛的应用。但是越来越多的研究和实际应用发现，高含氮废弃物厌氧消化过程中氨积累现象比较普遍，由此产生的抑制作用严重影响了厌氧生物处理效果，氨抑制已成为导致厌氧消化工程稳定性差、效率低的主要原因之一，并在一定程度上制约了厌氧消化工艺在高含氮废弃物处理中的应用。与国外相比，我国在厌氧消化氨抑制领域的研究尚处于起步阶段，因此，在借鉴已有研究成果的基础上，结合我国厌氧消化原料特点及工艺类型等具体情况，深入开展氨抑制基础研究及氨抑制调控方法研究是非常必要的，同时可为

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