疫病动物尸骸废水高温厌氧消化中的氨抑制

于可可， 李 平， 王苏女， 王丽苹， 朱凤霞， 吴锦华

(1.华南理工大学 环境与能源学院工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室， 广州 510006； 2.华南理工大学 污染控制与生态修复广东省普通高等学校重点实验室， 广州 510006； 3.华南理工大学 固体废物处理与资源化广东省环境保护重点实验室， 广州 510006)

疫病动物尸骸废水高温厌氧消化中的氨抑制

于可可1,2,3， 李 平1,2,3， 王苏女1,2,3， 王丽苹1,2,3， 朱凤霞1,2,3， 吴锦华1,2,3

(1.华南理工大学 环境与能源学院工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室， 广州 510006； 2.华南理工大学 污染控制与生态修复广东省普通高等学校重点实验室， 广州 510006； 3.华南理工大学 固体废物处理与资源化广东省环境保护重点实验室， 广州 510006)

在不同的pH值和进水总氨氮(TAN)浓度下进行批次实验，对疫病动物尸骸废水高温厌氧消化中的氨抑制作用进行了研究。结果表明，分别固定pH值为7.0，7.4，7.8，8.2时，每个pH值下设置4个初始TAN浓度为100，800，1400，2400 mg·L-1，COD去除率分别下降了11.1%，26.7%，50.4%，74.4%，游离氨(FAN)浓度则分别从4，9，20，38 mg·L-1上升到90，214，474，916 mg·L-1，FAN浓度的升高是反应器COD去除率下降的主要原因。产酸作用与产甲烷作用受氨抑制程度均随着TAN的升高而增加，且pH值越高，增加的趋势越明显，pH值为8.2时，FAN对两者的IC50分别为843和453 mg·L-1，产甲烷作用比产酸作用对FAN更敏感，这导致VFA在反应器中积累。总VFA分别由26，48，129，214 mg·L-1升至150，304，528，656 mg·L-1，其中乙酸分别由22，28，76，90 mg·L-1升至90，154，356，426 mg·L-1，VFA的积累类型表现为乙酸型，FAN抑制了乙酸营养型产甲烷菌的活性。

疫病动物废水； 高温厌氧消化； 氨抑制； pH值； 总氨氮

疫病动物尸骸废水(简称疫病动物废水)是疫病动物尸骸经过高温高压蒸煮后产生的一种高有机物、高蛋白质含量的特殊废水，其出水温度可达60℃～70℃。含高浓度蛋白质的废水在厌氧氨化过程会产生高浓度氨氮，游离氨(FAN)的存在对厌氧过程会产生显著抑制[1-2]，McCarty[3]等认为当pH值大于7.4，总氨氮(TAN)超过1500 mg·L-1时，厌氧过程就会受到抑制，而疫病动物废水的氨氮含量达9800 mg·L-1[4]。Fernandes[5]等的研究表明FAN的浓度主要取决于总氨氮(TAN)浓度，温度，及pH值3个参数，在35℃，pH值为7.0时，FAN的含量占TAN的比例不到1%，当pH值升至8.0，FAN占比达到10%；pH值为8.0，温度升至55℃时，FAN占比可达28%。Ho[6]等在猪场废水高温厌氧消化中将pH值从8.3降到6.5，FAN由916 mg·L-1降至24 mg·L-1，甲烷体积产量由200 mL·L-1升至680 mL·L-1，挥发性脂肪酸(VFA)由2059 mg·L-1降至497 mg·L-1。Hansen[7]等在TAN为6000 mg·L-1的条件下对猪粪进行厌氧消化，在pH值为8.0的条件下将消化温度由37℃升至55℃时，FAN由750 mg·L-1升至1600 mg·L-1，甲烷产率由188 mLCH4·g-1VS下降至67 mLCH4·g-1VS，VFA由4800 mg·L-1上升至11500 mg·L-1。在高温、高pH值下，高浓度的FAN会导致甲烷产率的下降以及VFA的积累，这显然不利于厌氧反应器的高效运行。迄今为止，鲜有疫病动物废水高温厌氧消化过程氨抑制的相关报道。因此，笔者将研究FAN对疫病动物废水高温厌氧消化反应器运行效率的影响程度及氨抑制下VFA的积累规律，为疫病动物废水厌氧工艺的比选提供技术基础。

1 材料与方法

1.1 实验装置及运行方式

厌氧批次反应器采用250 mL的锥形瓶，有效体积200 mL。瓶口用打孔橡胶塞密封，采用气体采样袋收集生物气。整个反应器置于55℃±1.0℃的水浴箱中恒温水浴。

1.2 实验方法

动物废水取自广州市某疫病动物处理中心，其水质特性如表1所示。反应器以稀释后COD为4500 mg·L-1，TAN为736 mg·L-1的动物废水为基质，接种40 mL来自高温厌氧折流板反应器中的污泥。实验分为4组，其pH值分别为7.0，7.4，7.8，8.2，每个pH值下设置4个初始TAN浓度，分别为100，800，1400，2400 mg·L-1，其中TAN为100 mg·L-1的基质采用鸟粪石法[8](Mg∶N∶P=1.3∶1∶1.1)预处理去除部分氨氮获得，其它氨氮浓度通过添加NH4Cl来获得。实验中不断调整pH值，控制pH值维持在初始值，并监测氨氮，COD，VFA，生物气产量来评价反应器的运行状况。

表1 疫病动物废水原水水质 (mg·L-1)

1.3 分析方法

pH值采用pH计测定(pHS-3C，上海雷磁)；氨氮和COD按标准方法测定；生物气采用气体采样袋(大连海得科技有限公司)收集；VFA采用气相色谱测定(Echrom A90 上海仪盟科技有限公司)，色谱柱为DB-FFAP毛细管柱，尺寸为30 m×0.32 mm×0.5 μm，进样口温度为230 ℃，初始柱温80 ℃，保留1 min，然后以10 ℃·min-1的速率升温到200 ℃，保留5 min。FID检测器温度为250 ℃。游离氨计算公式[9]为：

式中：T为开尔文温度，K。

酸化率计算公式[10]为：

式中：CODVFA指某一时刻反应器内的VFA当量COD；CODVFAin为基质中的初始VFA当量COD。

最大比生物气产生速率(μBiogasmax)分析方法[11]：实验中每隔0.5d监测一次生物气产量，实验结束后绘制累积生物气产量曲线，曲线上近似直线段的区间的最大平均斜率即为最大比生物气产生速率，以单位时间单位质量污泥产生的生物气量来计算。

2 结果与讨论

2.1 反应器的运行效果

反应器在不同pH值和TAN下运行了7d，各反应器的COD去除率如图1所示。

由图1可知，随着pH值和TAN的增大，COD去除率均呈现下降趋势。TAN为100mg·L-1时，在pH值为7.0到8.2范围内，FAN小于38mg·L-1，低于文献报道的最低氨抑制浓度(55mg·L-1)[12]，FAN不会对厌氧过程产生抑制，但随着pH值从7.0升至8.2，COD去除率从82%降至72.3%，厌氧过程的最佳pH值范围为6.8～7.2，过高的pH值影响了酶的活性及产甲烷菌对游离态VFA的利用[13]，此过程中pH值的提高使COD去除率下降了11.8%。当TAN为800，1400，2400 mg·L-1时，pH值从7.0升至8.2，COD去除率分别相对下降了36.3%，53%，74.6%，TAN越高，升高pH值对COD去除率的影响越大。

图1 各个pH值和TAN下的COD去除率

表1 各反应器中的FAN浓度 (mg·L-1)

由表2 可知，固定pH值为7.0时，TAN从100 mg·L-1增至2400 mg·L-1，FAN由4 mg·L-1上升到90 mg·L-1，此时反应器COD去除率仅下降了11.1%；而在分别固定pH值为7.4，7.8，8.2时，FAN分别由9，20，38 mg·L-1上升到214，474，916 mg·L-1，反应器COD去除率则分别下降了26.7%，50.4%，74.4%。由此可见，FAN含量的升高是引起COD去除率下降的主要原因，pH越高，TAN越大，COD去除率下降的程度越高。

2.2 氨抑制下的产气特性

图6对比了不同pH值和TAN下的μBiogasmax，以此来分析产甲烷作用受氨抑制的程度。由图可知，TAN为100 mg·L-1，pH值为7.0，7.4，7.8，8.2时的μBiogasmax分别为133，125，121，112 mLbiogas·g-1VSSd-1，升高pH值对产甲烷作用造成了15.8%的影响。固定pH值为7.0，7.4，7.8，8.2时，随着TAN的增大，μBiogasmax不断降低，当TAN由100 mg·L-1升到2400 mg·L-1时，其分别下降了15.8%，29.6%，57.8%，71.4%。

对不同pH值下μBiogasmax随TAN的变化趋势进行曲线拟合(R2均在0.90以上)，以TAN为100 mg·L-1时的μBiogasmax为最大值，分别拟算μBiogasmax降低10%，30%，50%时的TAN浓度，以分析方法中游离氨的计算公式换算出对应的FAN浓度，得到各个pH值下FAN对产甲烷作用造成10%，30%，50%抑制时的浓度，即IC10，IC30，IC50，结果如表3所示。

图2 pH值为7.0时TAN的累积生物气产量

图3 pH值为7.4时TAN的累积生物气产量

图4 pH值为7.8时TAN的累积生物气产量

图5 pH值为8.2时TAN的累积生物气产量

图6 最大比生物气产生速率的变化

表3 FAN对产甲烷作用的IC10，IC30，IC50(mg·L-1)

注： “—”为此条件下未达到相应的抑制程度，TAN栏和FAN栏表示IC10，IC30，IC50分别以TAN浓度和FAN浓度计量。下同。

由表3可知，pH值为7.0～8.2时，FAN对μBiogasmax的IC10在73～105 mg·L-1，此浓度可以近似看作是FAN对产甲烷作用的抑制阈值。pH值为7.0和7.4时，由于FAN的百分含量较低，在TAN小于2400 mg·L-1的范围内，产甲烷作用受到的抑制程度均未达到30%，在pH值为7.8和8.2时，相应的IC30分别为225和257 mg·L-1，IC50分别为392和453 mg·L-1。随着pH值的升高，造成相同抑制程度的FAN浓度轻微上升，这和Sung[15]等的研究结果类似，在中性pH值下，微生物因处于最佳的生长环境，而对FAN的抵抗性略差，但由于FAN百分含量的升高，造成相同抑制程度的TAN浓度却显著降低，pH值从7.8升至8.2，以TAN计量的IC50从1988 mg·L-1降至1187 mg·L-1。在高pH值下，相对低浓度的TAN也会引起显著的抑制效应，控制pH值在中性条件来降低FAN的百分含量，是减弱微生物受抑制程度的一种有效途径。

2.3 氨抑制下的产酸特性

各反应器最终的VFA积累情况如图7～图10所示。在4个pH值条件下，总VFA的最终积累量均随着TAN的增大而上升，但上升的幅度及趋势却明显不同。分别固定pH值为7.0，7.4，7.8、8.2，TAN为100 mg·L-1时，总VFA积累量分别为26，48，129，214 mg·L-1，升高TAN至2400 mg·L-1，总VFA积累量则分别增至150，304，528，656 mg·L-1，但在固定pH值为8.2时，TAN增至1400 mg·L-1，VFA含量就达到了648 mg·L-1，TAN由1400 mg·L-1增至2400 mg·L-1，VFA的含量基本没有变化。厌氧消化过程中，VFA是酸化过程的产物，同时也是产甲烷过程的底物，产酸作用与产甲烷作用受到氨抑制程度的不同会引起VFA的积累量呈现出一定的差异。

图11对比了不同pH值和TAN下各反应器的酸化程度。由图可知，TAN为100 mg·L-1时，4个pH值下的酸化率在81%到83%之间，pH值的改变对产酸作用的影响不显著。分别固定pH值为7.0，7.4，7.8，8.2时，TAN从100 mg·L-1升至2400 mg·L-1，酸化率分别下降了7.2%，14.6%，30.9%，53.1%。同样采用表3中IC10，IC30，IC50的分析方法来衡量FAN对产酸作用的抑制程度，结果如表4所示。相同pH值条件下FAN对产酸作用的IC10，IC30，IC50均大于表3中FAN对产甲烷作用的抑制值。在pH值为8.2时，FAN对产酸作用的IC50达843 mg·L-1，对产甲烷作用则为453 mg·L-1，产甲烷作用比产酸作用对FAN更为敏感，Niu[10]等在鸡粪的长期高温厌氧发酵中得到了相同的结论。同样条件下，产酸作用受到的抑制比产甲烷作用小，导致VFA在反应器中积累，但积累量的大小与两者受到抑制程度的差异的大小有关。在固定pH值为8.2时，酸化率曲线的斜率随TAN的增大而变化不大，而μBiogasmax曲线的斜率则随着TAN的增大而减小，尤其在TAN为1400～2400 mg·L-1段，μBiogasmax下降趋势明显减缓，TAN为1400 mg·L-1时，酸化率和μBiogasmax分别受到了33.3%，56.3%的抑制，而TAN为2400 mg·L-1时，两者受到的抑制程度则分别为53.1%和71.4%，在TAN从1400 mg·L-1增至2400 mg·L-1的过程中，产酸作用与产甲烷作用受抑制程度的差异在不断减小，这可能是总VFA积累的趋势不再继续上升的原因。

由于不同pH值和TAN下，氨抑制的程度不同，VFA的组成呈现出一定的差异。如图4所示，TAN为100 mg·L-1时，产酸作用受pH值的影响不大，而产甲烷作用受到了一定的影响，导致VFA含量随pH值的升高而增大，固定pH值为7.0时，VFA含量仅为26 mg·L-1，升高pH值至8.2，VFA积累至214 mg·L-1，其中异丁酸和丁酸的降解较为彻底，乙酸、丙酸、异戊酸的含量则分别为90，54，62 mg·L-1。在同一pH值下，增大TAN浓度，除乙酸外，丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸的含量均变化不大。分别固定pH值为7.0，7.4，7.8，8.2时，TAN从100 mg·L-1增至2400 mg·L-1，乙酸分别由22，28，76，90 mg·L-1升至90，154，356，426 mg·L-1，乙酸含量在不断增大。Callia[16]等认为氨抑制发生时，降解丙酸的微生物会受到较大的影响，而本研究中所有反应器中丙酸的积累量均在100 mg·L-1以下，其受氨抑制的影响并不明显。但是乙酸浓度随TAN的变化趋势说明了在氨抑制的过程中乙酸的利用受到了限制。Niu[17]等对氨抑制前后的微生物种群进行了分析，结果显示在氨抑制后，未检测到乙酸营养型产甲烷菌Methanosarcina mazei Go1，而在氨抑制前，其在古细菌中占比达到11.1%。显然，在本实验中，乙酸营养型产甲烷菌的活性受到了FAN的抑制。

图7 pH值为7.0时VFA积累变化

图8 pH值为7.4时VFA积累变化

图9 pH值为7.8时各VFA积累变化

图10 pH值为8.2时VFA积累变化

图11 各反应器的酸化程度

pH值IC10IC30IC50TANFANTANFANTANFAN7.0——————7.41667149————7.88511682376469——8.247017912364722207843

3 结论

(1)分别固定pH值为7.0，7.4，7.8，8.2时，TAN浓度从100 mg·L-1升至2400 mg·L-1，疫病动物废水高温厌氧消化COD去除率分别下降了11.1%，26.7%，50.4%，74.4%，生物气产量分别下降了9%，31%，56%，75%，FAN浓度则分别从4，9，20，38 mg·L-1上升到90，214，474，916 mg·L-1，FAN浓度的升高是反应器COD去除率及生物气产量下降的主要原因。

(2)随着TAN的增大，产酸作用与产甲烷作用受氨抑制的程度均不断增加，且pH值越高，增加的趋势越明显。pH值为8.2时，FAN对产酸作用的IC50为843 mg·L-1，对产甲烷作用的IC50则为453 mg·L-1，产甲烷作用受到的抑制程度比产酸作用更显著。

(3)产甲烷作用比产酸作用对FAN更敏感导致VFA在反应器中积累，分别固定pH值为7.0，7.4，7.8，8.2时，TAN从100 mg·L-1升至2400 mg·L-1，总VFA分别由26，48，129，214 mg·L-1升至150，304，528，656 mg·L-1，其中乙酸分别由22，28，76，90 mg·L-1升至90，154，356，426 mg·L-1，VFA的积累类型表现为乙酸型，FAN抑制了乙酸营养型产甲烷菌的活性。

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Ammonia Inhibition in Thermophilic Anaerobic Digestion of Animal Carcass Wastewater /

YU Ke-ke1,2,3, LI Ping1,2,3, WANG Su-nv1,2,3, WANG Li-ping1,2,3, ZHU Feng-xia1,2,3, WU Jin-hua1,2,3/

(1.Key Laboratory of Pollution Control and Ecosystem Restoration in Industry Clusters, Ministry of Education, School of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China; 2. Key Laboratory of Pollution Control and Ecological Restoration of Guangdong Higher Education Institutes, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China; 3. Guangdong Environmental Protection Key Laboratory of Solid Waste Treatment and Recycling, Guangzhou 510006, China)

To investigate the inhibitory effect of ammonia on thermophilic anaerobic digestion of animal carcass wastewater, batch experiments were conducted under different pH values and total ammonia nitrogen (TAN) concentrations. The results showed that, at the pH value of 7.0, 7.4, 7.8 and 8.2, and the initial TAN concentration of 100,800,1400,2400 mg·L-1respeclively, the free ammonia nitrogen(FAN)concentration respectively increased from 4, 9, 20 and 38 mg·L-1to 90, 214 ,474 and 916 mg·L-1, which reduced the COD removal rate by 11.1%, 26.7%, 50.4% and 74.4%, correspondingly. The increasing of FAN concentration was the main reason for the decrease of COD removal rate. The inhibition level of acidogenesis and methanogenesis increased with the increase of TAN concentration, especially at high pH value. The IC50of FAN for acidogenesis and methanogenesis were 843 and 453 mg·L-1respectively at pH value of 8.2. Methanogenesis was more sensitive to FAN than the acidogenesis, which lead to the accumulation of VFA in the reactor. The total VFA concentration increased from 26, 48, 129 and 214 mg·L-1to 150, 304, 528 and 656 mg·L-1respectively, among which the acetic acid increased from 22, 28, 76 and 90 mg·L-1to 90, 154, 356 and 426 mg·L-1. The accumulation type of VFA was acetic acid, which indicated that acetotrophic methanogens was inhibited by FAN.

animal carcass wastewater; thermophilic anaerobic digestion; ammonia inhibition; pH; total ammonia nitrogen(TAN)

2016-10-09

项目来源： 广州市科技计划项目(2012Y2-00005,2014Y2-00522)

于可可(1992-)，男，河南信阳人，硕士，主要从事水污染控制研究工作，E-mail:1091891201@qq.com

李 平，E-mail:pli@scut.edu.cn

S216.4; X713

A

1000-1166(2017)02-0041-06