厌氧消化过程氨抑制研究进展

厌氧消化过程氨抑制研究进展
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。
厌氧消化作为一种可获得能源的可持续生物处理技术，在实际工程中得到了广泛应用。在厌氧消化过程中，氨抑制被认为是影响其整体效能的重要因素。虽然氮是厌氧消化系统中微生物新陈代谢所必须的元素，但是厌氧消化体系中过高的氨氮往往会抑制微生物的正常生命活动，尤其是产甲烷菌。
重点介绍了国内外厌氧消化氨抑制*新的机理研究，详细阐述了其主要的影响因素和消除措施，包括微生物驯化、pH 值调节、温度控制及C/N 比调节等，为厌氧消化技术工程应用的未来研究提供一定的借鉴和参考。
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厌氧消化作为一种能获得能源的可持续生物处理技术，其消化过程可以生成生物质能(主要为甲烷CH 4 ，含量为60% ～70%)，是一种极具前景并可缓解气候变化的绿色能源 。
厌氧消化因具有稳定降解有机污染物并可在消化过程中产生可再生能源的特性，在对农业废弃物、食物残渣及污水厂剩余污泥等固体废弃物的无害化处理及资源化利用中得到了广泛应用 。在厌氧消化过程中，发酵物料内的含氮物质，如蛋白质、尿素和核酸等，在微生物的作用下*终被转化为氨氮(包括游离氨NH3及NH+4) 。
尽管氨氮是厌氧消化过程厌氧微生物所必须的营养物，且一定浓度的氨氮可以为消化过程提供良好的缓冲作用，但是体系中过高浓度的氨氮对微生物有抑制作用，这被认为是导致厌氧消化反应系统崩溃的主要因素 。近年来，国内外对厌氧消化过程中氨抑制进行了大量研究，本文重点归纳了厌氧消化过程氨抑制的形成机制、影响因素以及应对措施，以期为厌氧消化反应系统的稳定运行提供一定的借鉴。
1 厌氧消化氨抑制机理研究
对厌氧消化过程中氨抑制形成机理的研究很多，但这些研究还不够完善，没有统一的共识。
厌氧消化过程通常包括物质溶解、水解、酸化、乙酸化及产甲烷五个步骤 ，故厌氧消化系统的稳定运行主要取决于水解发酵菌、产酸菌和产甲烷菌等微生物在正常生理活动下的协同作用，其中产甲烷菌对体系中氨浓度的耐受性*差 。
而氨抑制通常表现为稳定运行的厌氧消化体系中沼气产量下降以及挥发性脂肪酸VFA 的积累 。许多研究者对氨抑制形成的机理提出了猜想，例如:产甲烷菌胞内pH 变化、维持细胞正常生命活动所需的能量增加以及特定的酶促反应受到抑制等 。
在厌氧消化水溶液中，NH+4离子和游离氨(NH3)是氨存在的两种主要形式。游离氨由于其良好的渗透性，被认为是导致体系受到抑制的主要因素。
有学者通过纯菌种培养实验，推测体系中氨抑制对产甲烷菌的影响主要体现在以下两个方面:
1)NH+4离子可能直接抑制了甲烷合成所需酶的活性;2)疏水的游离氨分子可能通过被动扩散进入细菌细胞内，造成质子失衡或细胞内缺钾 。游离氨NH3经由被动扩散进入微生物细胞内，结合胞外质子H+转化为NH 4+，进而造成细胞内pH 变化。
细胞为维持胞内质子平衡，通过细胞膜上钾泵消耗能量主动运输，将胞内钾离子移出至胞外，以维持胞内pH，由此增加了细胞维持能的需求并限制了一些特定的酶促反应。
关于氨抑制阈值(见表1)的研究较多，Hejnfelt和Angelidaki 研究发现，在厌氧消化系统总氨氮浓度为1 500 ～7 000 mg/L 内均有可能发生氨抑制现象。而不同的厌氧消化系统氨抑制阈值的差异主要受消化基质及接种物料特性、消化温度、系统内pH及驯化时间等影响 。
目前，对厌氧消化过程中氨抑制机理的研究，主要集中于体系中产甲烷菌的种群结构及多样性随氨浓度增加的变化。有学者研究表明，在厌氧消化过程中，氢营养型产甲烷菌较乙酸型产甲烷菌对体系中的氨浓度具有更强的耐受能力 。
Gao 等 通过设计餐厨垃圾厌氧消化反应器试验，结果发现，随着体系中氨浓度不断提升，试验*终阶段反应器内的辅酶F 420 (CoF 420 )的相对活性为*初阶段的2. 4 倍，增加率达到114%。
由于CoF 420 的生化作用是低电位电子转移载体，特异性的将碳酸氢盐还原为氢气，进而被氢营养型产甲烷菌利用合成甲烷，从而证明随着反应器中氨浓度的提升，氢营养型产甲烷菌逐渐占据优势，这促进了特异性CoF 420 的活性。
Niu 等利用16S rRNA 分子生物学技术研究氨氮对鸡粪高温厌氧消化过程中，产甲烷菌群落随体系中氨氮浓度不同的变化。
结果表明，氢营养型的甲烷热杆菌属(Methanothermobacter)由初始阶段的9. 3% 发展至氨抑制阶段的95%，大大超过乙酸营养型的甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)，在高氨氮体系的产甲烷过程中占主导地位。Demirel 及Scherer 的研究也得出了相同的结论。