氨氮对厌氧发酵脂肪酸浓度的影响研究

徐家英

(青岛市环境卫生发展中心， 山东 青岛 266003)

随着垃圾分类的进行，有机垃圾的处理越来越引起重视。其中厌氧发酵技术在有机垃圾处理中的应用越来越广泛，对氨氮抑制的研究也引起了学术界的重视[1-4]。现有的研究主要集中于垃圾厌氧发酵的产气量研究上，关于氨氮的毒性抑制方面较少[5-6]。

有研究表明[7-8]，在厌氧发酵系统中，尽管硝酸氨氮都将被还原成氮气而存在于发酵气中,但仍然存在于系统中，只有很少的氮转化为细胞，大部分可生物降解的氮都转化为发酵液中的氨氮，因此发酵液中氨氮的浓度都高于进料中氨氮的浓度。

厌氧发酵实验发现，在中温时，随着氨氮浓度的增高，发酵状况逐渐恶化。氨氮浓度升高抑制了产甲烷菌的活性，这就逐步阻碍了乙酸和丙酸的充分降解，从而造成有机酸积累的后果[9-10]。本试验主要在中温条件下，研究餐厨垃圾厌氧发酵过程中氨氮的抑制浓度和毒性抑制机理，探讨对系统中脂肪酸的影响，为有机垃圾处理工程建设和运行提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 餐厨垃圾理化性质

餐厨垃圾：试验所用餐厨垃圾取自青岛大学学术交流中心[11]，垃圾成分包括米饭、蔬菜、猪肉、鱼虾、贝类、油脂等。将垃圾中杂质(贝壳、骨头、纸巾、牙签等)剔除之后使用家用搅肉机粉碎打浆，所有垃圾打浆完毕后混合均匀，测定其TS为19.2%，挥发性组分(VS)为18.6%。

接种物：试验所用接种物为餐厨垃圾厌氧发酵降解残渣，接种物固含率6%，COD 6288 mg·L-1，碱度3728 mg·L-1。

1.2 试验装置

试验中使用2000 mL储水瓶为厌氧发酵反应器，储水瓶带丁基橡胶塞，在橡胶塞原有两个孔的基础上再打一个孔，即每个橡胶塞上有3个孔，其中一个孔通入试剂瓶底部，用于通氮气，第2个孔通入试剂瓶中间位置，用于吸取液体，第3个孔通入试剂瓶上部空间，用于取气。

1.3 试验方案

(1)将4个瓶子进行编号，分别是A、B、C、D瓶。

(2)反应体系以有效体积1500 mL计算，每个试剂瓶中加入900 mL已驯化好的接种物和133 g餐厨垃圾，使垃圾固含率达到2%。

(3)设置4个氨氮浓度，分别向4个试剂瓶中加入不同浓度氨氮，调节至相应浓度。

A：不加氨氮，只有900 mL接种物+133 g垃圾；

B：A基础上加入1500 mg·L-1的氨氮，氨氮初始浓度为1890.87 mg·L-1；

C: A基础上加入3000 mg·L-1的氨氮，氨氮初始浓度为3390.87 mg·L-1；

D：A基础上加入4500 mg·L-1的氨氮，氨氮初始浓度为4890.87 mg·L-1；

(4)加水至1500 mL，通入氮气，将空气排净，封闭瓶塞，调节pH值，进行驯化培养，每天测定一次pH值，并取一定量的液体冷冻保藏，用于测定脂肪酸组分，每天测定一次气体浓度和气体成分。

(5)每个浓度梯度设定2个平行样本，实验运行21天，运行平稳，测定反应过程中气体产量、碱度、VFA和氨氮等。

1.4 理化指标及分析方法

氨氮测定使用蒸馏和滴定法、挥发性脂肪酸测定采用气相色谱法、气体产量测定使用排水取气法、碱度使用酸碱指示剂滴定法进行测定。

1.5 其他控制条件

(1)本试验采用恒温箱来控温，反应温度设置为35℃±1℃。

(2)采用人工搅拌，每日运行时间歇搅拌两次，使发酵物料混合均匀，并使气体能顺利产出。

(3)发酵接种物与底物比例为50∶50(VS比)。

2 试验结果与分析

2.1 氨氮对发酵过程中累积产气量的影响

从图1能够看出氨氮浓度的变化对发酵过程中累积产气量的影响，4个反应器发酵21天后累计产气量分别为3625 mL，5070 mL，1720 mL和300 mL。氨氮浓度为1890.87 mg·L-1时，是发酵产气量的刺激浓度，B组反应器的累计产气量大大超过对照组，这是微生物菌对氨氮抑制物的刺激兴奋效应[12]，低浓度氨氮可以使系统产气量增加；氨氮浓度为3390.87 mg·L-1时，是发酵产气量的半抑制浓度，发酵进程被抑制。研究表明[13-14]，对于一个长期运行的厌氧发酵系统，其内部微生物群落在经过长期驯化后，对氨氮的承受能力已趋于稳定与饱和，但高浓度氨氮仍然会使发酵过程受到抑制。

2.2 氨氮对发酵过程中碱度的影响

碱度是厌氧发酵过程中重要的影响因素之一。图2 显示了4个厌氧发酵器中碱度的变化规律，可以看出4组反应器的碱度变化呈现相同的变化规律，和氨氮的变化规律相应，都是逐渐升高。

一般说来，含氮有机物的降解会导致厌氧体系中碱度增加，较高的碱度可以很好地缓冲发酵体系的pH值[15]。但从图2可以看出，不同反应器中的碱度浓度变化不大，基本都在3300～4800 mg·L-1之间。A和B反应器的碱度最高可以达到4738.73 mg·L-1和4873.87 mg·L-1，可以很好地缓冲反应器的pH值。但 C和D反应器的最大碱度为3990.32 mg·L-1和4200.21 mg·L-1，很显然，相对于其对应的高氨氮浓度抑制引起的酸抑制，这个碱度的含量相对有点低，不足于缓冲体系的pH值，因此C和D反应器发酵过程不稳定。

2.3 氨氮对发酵过程中脂肪酸的影响

挥发性脂肪酸是有机质经过水解和酸化形成的主要产物，主要为乙醇、乙酸、丙酸、丁酸等，这些酸化产物在产甲烷相作为甲烷菌的底物，最终降解转化为甲烷和二氧化碳,是厌氧发酵过程中的主要控制参数之一。有研究表明[16]当发酵系统有机负荷出现较高氨氮抑制时，VFAs 的产生和消耗不平衡，易有系统酸化的状况出现。图3至图6描述了在不同氨氮浓度下单个挥发性脂肪酸的变化过程。

2.3.1 乙酸浓度变化

从图3可以看出，4个反应器的乙酸浓度都是呈现出一个先增加又缓慢降落的过程。大约都在第9天的时候达到高峰值，而后缓慢降低。其中A、B反应器乙酸浓度增长平稳，降解速度快，产甲烷量高。C、D反应器乙酸的浓度增长迅速，但降解很慢，说明由于氨氮抑制，产甲烷菌受到影响，产生的乙酸没有及时转化为甲烷，到试验期结束，乙酸的浓度仍然在2000 mg·L-1，因此，C、D反应器虽然乙酸浓度高，但甲烷产量并不高，产甲烷过程被抑制。

2.3.2 丙酸浓度变化

各反应器丙酸浓度的变化情况见图4。从图上可以看出，丙酸浓度也是一个先增长然后逐渐降低的变化过程，第9天丙酸浓度达到最高，C、D反应器的丙酸浓度最高可达2500 ～2700 mg·L-1左右，到发酵期结束时，丙酸浓度达到1000 mg·L-1左右。丙酸在热力学上很难被降级为乙酸，是发酵系统中不易被产甲烷菌利用的中间产物，容易使发酵过程失败[17]。

从图4可以看出，即使丙酸被降解到1000 mg·L-1左右，发酵系统的产气速率仍然很低。高浓度氨氮抑制了产甲烷菌的活动，使乙酸和丙酸不能够及时降解，从而造成有机酸积累产气速率降低的后果[18]。

2.3.3 乙醇浓度变化

浒苔（取自连运港市在海一方的沙滩上，经过层层筛选，选取那些叶片大，厚实的浒苔，再将其反复冲洗。我们研究需要将浒苔的水分完全去除，所以把洗干净的浒苔放在天台上晾晒，每天晾晒时间从早上九点到下午4点，晾晒过程中要防止异物、粉尘等污染浒苔，以至于对实验造成不必要的影响。

各反应器乙醇浓度的变化状况见图5。从图上可以看出，4个反应器的乙醇浓度都是经过一个先上升后下降的变化过程。但4个反应器的乙醇浓度变化不明显，一直维持着较低的水平。C和D反应器的乙醇浓度虽然高于A和B反应器，但变化差距不如丙酸和乙酸变化差距大。易被甲烷菌发酵利用的乙醇，到试验期结束时，4个反应器的浓度基本在300～500 mg·L-1，说明氨氮的浓度变化对乙醇的影响不明显。

2.3.4 丁酸浓度变化

氨氮对发酵过程中丁酸的影响见图6。从图上可以看出，反应器A和B的丁酸浓度在发酵后第6天达到最高峰值，分别为2130.2 mg·L-1和2076.5 mg·L-1，到试验结束，丁酸的浓度达到0和123.9 mg·L-1，基本降解。但对于反应器C和D则情况不同，丁酸在第9天才达到最高峰值，分别达到3549.7 mg·L-1和3158.6 mg·L-1，到试验期结束时，丁酸虽明显降解，但浓度仍高达1269.2 mg·L-1和1510 mg·L-1。说明在高浓度氨氮的影响下，丁酸明显出现积累。

VFA 是考察有机物质水解酸化效果的最重要的参数之一，其酸化产物中 VFA 总量大小可反映出水解的程度和有机物的酸转化率[19]。从图3至图6中可以看出氨氮浓度对发酵反应系统各种脂肪酸的影响状况。当氨氮浓度从390.87 mg·L-1增加到4890.87 mg·L-1时，脂肪酸浓度明显出现积累。由于氨氮的毒性抑制作用，产甲烷菌活性降低，但产酸细菌的生长较快且对环境变化不敏感，造成了脂肪酸的积累，从而使反应器C和反应器D的 pH值一直处于酸性状态，21天的发酵期后产气量没有得到恢复，说明氨氮引起系统的抑制一旦发生很难恢复。

3 讨论

(1)有机垃圾厌氧发酵技术是一个生物反应过程，就会存在生物抑制。目前餐厨垃圾厌氧发酵工艺容易产生氨氮和盐度的毒性抑制，使发酵过程存在产气率低、产生的污水难以处理等普遍问题。本试验得出氨氮浓度为1890.87 mg·L-1时，是发酵产气量的刺激浓度;氨氮浓度为3390.87 mg·L-1时，是发酵产气量的半抑制浓度。为餐厨垃圾厌氧发酵的过程控制提供了一个可以参考的监测数据。

(2)虽然有研究表明，对于一个长期运行的厌氧发酵系统，其内部微生物群落在经过长期驯化后，对氨氮的承受能力已趋于稳定与饱和。但试验证明氨氮抑制会随时发生，高浓度氨氮通过抑制脂肪酸的转化而影响发酵系统的产气量，使发酵过程受到抑制或者破坏。

(4)餐厨垃圾厌氧消化过程是一个复杂的生物反应过程，氨氮和盐度以及油脂的耦合叠加抑制效应仍需进一步的探讨和研究。

4 结论与分析

(1)氨氮浓度为1890.87 mg·L-1时，是系统发酵产气量的刺激浓度，可以使系统产气量增加；氨氮浓度为3390.87 mg·L-1时，是系统发酵产气量的半抑制浓度。

(2)C和D反应器的最大碱度为3990.32 mg·L-1和4200.21 mg·L-1，相对于其对应的高氨氮浓度抑制引起的酸抑制，这个碱度的含量相对有点低，不足以缓冲体系的pH值，使整个发酵过程不稳定。

(3)试验表明发酵系统受到氨氮毒性抑制时，降低了产甲烷菌的活动，这就阻碍了脂肪酸的充分降解，从而造成系统有机酸积累使发酵过程失败。

(4)发酵系统一旦出现氨氮毒性抑制很难恢复，因此在工程运行中应随时监测氨氮浓度变化，以便控制好发酵系统的有机负荷，当氨氮浓度接近半抑制浓度时，应立即停止进料或加入清水。