厭氧消化技術(shù)主要用于處理有機廢物，如高濃度有機廢水、農業(yè)廢棄物、餐廚垃圾、剩余污泥等；反應同時(shí)產(chǎn)生的生物能源為緩解全球氣候變化和保證能源的可持續性提供了新的選擇。相比好氧生物處理，厭氧消化具有高有機負荷、剩余污泥量小、綠色能源回收以及較低的運行和維護費用等優(yōu)勢，得到廣泛應用并迅速發(fā)展。然而，一些環(huán)境因素如pH、溫度、有機負荷和氨氮濃度（自由氨+銨離子）等影響著(zhù)厭氧消化過(guò)程的穩定進(jìn)行。其中，氨的毒性抑制被認為是影響厭氧消化過(guò)程的最主要因素，自由氨（FAN）起主要抑制作用。研究表明氨產(chǎn)生抑制效果的質(zhì)量濃度范圍是1700~7000mg/L。這一濃度范圍受到底物性質(zhì)、產(chǎn)甲烷菌種、環(huán)境因素（溫度、pH）以及馴化時(shí)期等條件的影響。隨著(zhù)厭氧消化反應器內蛋白質(zhì)、尿素的分解，氨在消化液中不斷累積，逐漸形成的高濃度氨氮將嚴重影響產(chǎn)甲烷菌的活性，從而降低反應器產(chǎn)氣效率，甚至最終導致反應失敗。
目前，國內外學(xué)者針對厭氧消化的氨抑制進(jìn)行了大量研究，主要包括氨抑制機理，影響因素以及氨抑制解除方法等方面，然而對于大量恢復方法的研究鮮有系統的歸納總結。筆者通過(guò)對近年國內外氨抑制研究的總結，分析和闡釋氨抑制的形成機理，從氨濃度和微生物兩個(gè)角度出發(fā)重點(diǎn)歸納了氨抑制的解除方法和技術(shù)，并提出進(jìn)一步發(fā)展氨抑制解除技術(shù)的研究重點(diǎn)。
1氨抑制的機理研究
氨是厭氧消化過(guò)程中微生物降解蛋白質(zhì)和尿素等物質(zhì)的最終產(chǎn)物。在水溶液中，氨主要以離子態(tài)氨（NH4+）和自由態(tài)氨（NH3）這兩種形式存在，其和稱(chēng)為總氨氮（TAN），用以衡量氨的濃度水平�；|(zhì)中低濃度的氨可以作為微生物的營(yíng)養物質(zhì)，而高濃度的氨會(huì )嚴重降低微生物活性。T.Liu等研究認為，TAN的適宜質(zhì)量濃度為200mg/L。當TAN質(zhì)量濃度超過(guò)3000mg/L時(shí)，厭氧消化過(guò)程在任何pH條件下都會(huì )受到抑制。
目前，對氨抑制機理的研究認識還不完善，已經(jīng)提出的機理假設有：（1）FAN引起細胞內pH的改變；（2）NH3與K+交換造成微生物細胞內K+的缺乏；（3）額外能量消耗對細胞正常生理活動(dòng)的影響；（4）NH4+對酶反應的直接影響。G.D.Sprott等在純甲烷菌種的研究中發(fā)現FAN由于其疏水性可直接透過(guò)細胞膜進(jìn)入細菌細胞內，并結合細胞外的H+引起細胞內pH的改變，影響產(chǎn)甲烷菌正常生理活動(dòng)；同時(shí)，NH3在細胞內轉化為NH4+引起電荷變化，致使甲烷菌耗能將K+移出細胞以保持電荷平衡，造成細胞內K+的缺乏，進(jìn)一步降低了產(chǎn)甲烷菌的活性。此外，G.D.Sprott還指出NH4+可能直接作用于甲烷合成過(guò)程中的某些酶，導致甲烷的合成失敗。W.Wiegant等探究氨抑制機理認為，高濃度TAN嚴重影響甲烷菌利用H2合成甲烷的途徑；另一些中間產(chǎn)物如丙酸、H2的累積，可能抑制乙酸合成甲烷的途徑。
穩定的厭氧消化過(guò)程主要依賴(lài)于水解發(fā)酵菌、產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌3種微生物的正常生理活動(dòng)。其中產(chǎn)甲烷菌對氨濃度最為敏感，厭氧消化處理馬鈴薯汁的實(shí)驗中發(fā)現，TAN質(zhì)量濃度范圍在4051~5734mg/L時(shí)，產(chǎn)酸細菌基本未受影響，然而56.5%的產(chǎn)甲烷菌活性喪失。在高溫厭氧消化的研究中，R.Borja等研究發(fā)現乙酸利用型產(chǎn)甲烷菌對氨更加敏感。然而W.Wiegant等的研究認為高濃度氨更易影響H2和CO2合成甲烷的過(guò)程。其原因可能歸結于氨濃度高低的影響，當TAN質(zhì)量濃度超過(guò)1700mg/L時(shí)，氨對乙酸利用型產(chǎn)甲烷菌的抑制作用強于H利用型甲烷菌，而當低于這個(gè)臨界濃度時(shí)，H利用型甲烷菌更易受到影響。不同類(lèi)型的產(chǎn)甲烷菌對氨的耐受濃度如表1所示。
2氨抑制解除技術(shù)與方法
當前應對氨抑制的解除技術(shù)主要通過(guò)兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行，一是降低高濃度氨，尤其是FAN，通過(guò)對pH、溫度、碳氮比等因素的調節來(lái)完成；二是馴化產(chǎn)甲烷菌種群，通過(guò)填料固定、元素添加等方式增強微生物對高濃度氨氮的耐受性，從而使厭氧消化可以在氨氮濃度較高的情況下進(jìn)行。
2.1高濃度氨的消除
2.1.1pH控制
系統的pH不僅對微生物生理活性存在影響，而且與反應體系內FAN濃度的高低直接相關(guān)，FAN與pH的關(guān)系如式（1）所示，隨著(zhù)pH的升高，FAN濃度逐漸增加（當溫度分別為25、35、55℃時(shí)，Kα分別為5.64×10-10、1.097×10-9和3.33×10-9）〔25〕。
式中：CFAN——FAN的質(zhì)量濃度，mg/L；
CTAN——TAN的質(zhì)量濃度，mg/L；
Kα——氨的解離常數。
由較高pH帶來(lái)的高濃度FAN嚴重抑制產(chǎn)甲烷菌正常代謝，造成揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）的累積，降低了系統pH，最終FAN、VFAs和pH相互作用使整個(gè)厭氧消化系統達到一種“抑制平衡狀態(tài)”，這種狀態(tài)下系統的甲烷產(chǎn)量很低，厭氧消化難以進(jìn)行。有研究表明氨抑制作用與系統內FAN水平直接相關(guān)，而非銨離子的影響。因而可以通過(guò)控制pH降低FAN濃度來(lái)減輕氨的毒性作用。
P.Shanmugam等〔27〕處理皮革廢水，將pH從8.5降低至6.5獲得了最佳產(chǎn)氣效果，累積沼氣產(chǎn)量6518mL。G.Zeeman等〔28〕在TAN為3000mg/L時(shí)，將系統pH從7.5調節至7.0，也發(fā)現甲烷產(chǎn)量提高了4倍。此外，M.Kayhanian等〔29〕研究高溫厭氧消化時(shí)發(fā)現，pH為7.2，TAN為1000mg/L的條件下系統中對應FAN質(zhì)量濃度為55mg/L（氨抑制安全閾值）；然而pH升高至7.5，TAN僅為400mg/L時(shí)，對應FAN濃度便達到這一安全濃度，因而M.Kayhanian建議高溫厭氧系統pH應控制在7.0左右。
2.1.2溫度控制
溫度對微生物的生長(cháng)速率和FAN濃度均有影響，通常在保證產(chǎn)甲烷菌活性的前提下，厭氧消化工藝選擇在中溫（30~40℃）和高溫（50~60℃）兩個(gè)范圍下進(jìn)行。由式（1）知FAN濃度與Kα相關(guān)，由于Kα與溫度成正相關(guān)，隨溫度升高厭氧消化系統內高微生物活性和FAN濃度都會(huì )得到提高，因而產(chǎn)甲烷菌的代謝活動(dòng)有可能受到抑制。研究了FAN濃度與厭氧消化溫度和pH的具體關(guān)系，結果表明：相同pH條件下，系統反應溫度越高，FAN所占TAN比例越大。
研究者發(fā)現，高溫產(chǎn)甲烷菌相比中溫產(chǎn)甲烷菌對氨抑制具有更強的耐受能力。C.Gallert等〔30〕利用厭氧消化處理有機垃圾，中溫條件下甲烷產(chǎn)量在氨質(zhì)量濃度為220mg/L時(shí)降低了50%；而高溫條件下，氨質(zhì)量濃度為690mg/L時(shí)才引起甲烷產(chǎn)量50%的下降幅度。然而，就整個(gè)系統而言，高溫厭氧消化過(guò)程相對中溫厭氧消化過(guò)程更容易受到FAN抑制作用。A.G.Hashimoto等〔31〕將氨質(zhì)量濃度逐步提高超過(guò)3000mg/L時(shí)，高溫消化系統難以維持，而中溫系統能在4000mg/L的條件下繼續運行。此外，I.Angelidaki等〔32〕在40~64℃范圍內研究認為，當FAN質(zhì)量濃度超過(guò)700mg/L時(shí)，為保證系統不受氨抑制應當控制反應溫度在55℃以下。
2.1.3調節碳氮比
過(guò)高的碳氮比會(huì )引起系統氮源的不足，無(wú)法充分消耗碳源；低碳氮比又可能造成氨的積累而抑制厭氧消化，因而選擇合適的碳氮比對厭氧反應器消除氨抑制作用及其穩定運行至關(guān)重要。M.Kayhanian等〔29〕對一定范圍碳氮比（8~125）下的厭氧消化反應進(jìn)行了研究，結果發(fā)現控制碳氮比在27~32時(shí)最有利于阻止氨抑制現象發(fā)生和保持產(chǎn)氣穩定。在此基礎上，O.P.Karthikeyan等〔33〕進(jìn)一步研究了兩種碳氮比（27和32）下的氨抑制作用，結果表明，當碳氮比為32時(shí)，系統中的氨濃度相比碳氮比為27時(shí)減少了30%。
碳氮比的調節一般可通過(guò)不同反應底物間的混合來(lái)完成，相比其他方法，具有經(jīng)濟合理、易于操作和增加產(chǎn)氣量等優(yōu)點(diǎn)。P.Shanmugam等〔27〕利用城市生活垃圾與皮革廢水混合調節碳氮比為15時(shí)，得到最大產(chǎn)氣量并控制了氨抑制。但是，碳氮比的調節過(guò)程相對較為緩慢，必須在系統被完全抑制之前進(jìn)行，如果氨抑制作用下系統已經(jīng)出現VFA積累、pH下降等現象，即使調節至合適的碳氮比，系統也難以從抑制狀態(tài)恢復〔29〕。
2.2微生物的強化
2.2.1產(chǎn)甲烷菌馴化
馴化接種是增強產(chǎn)甲烷菌氨適應性的有效途徑之一。隨著(zhù)系統內氨濃度緩慢增加，微生物可以逐漸適應較高氨濃度的環(huán)境。通常，TAN質(zhì)量濃度為3000mg/L時(shí)可完全抑制產(chǎn)甲烷菌，但經(jīng)過(guò)馴化的產(chǎn)甲烷菌可以在高于3000mg/L的環(huán)境中生存。I.Koster等〔12〕實(shí)驗發(fā)現馴化后的厭氧消化系統在質(zhì)量濃度高達11800mg/L的環(huán)境下仍然能產(chǎn)生甲烷。而A.G.Hashimoto等〔31〕對比未馴化和馴化的厭氧系統，發(fā)現引起氨抑制時(shí)的臨界TAN質(zhì)量濃度分別為2400、4000mg/L。
很多研究者都觀(guān)察到經(jīng)馴化的產(chǎn)甲烷菌對氨的耐受性明顯提高，但是對這種抗性的產(chǎn)生機理還未達成共識，可能是產(chǎn)甲烷菌改變了自身合成甲烷的途徑或是新的高抗性產(chǎn)甲烷菌種的出現。F.Lü等〔34〕在研究酸和氨協(xié)同作用對產(chǎn)甲烷途徑改變的影響時(shí)發(fā)現，隨乙酸含量和氨濃度升高，甲烷合成途徑開(kāi)始由乙酸利用型產(chǎn)甲烷菌降解乙酸途徑向由互養型乙酸氧化（SAO）細菌與H2利用型甲烷菌的共生菌團降解乙酸途徑轉化；當TAN超過(guò)6000mg/L，甲烷完全由共生降解途徑合成。然而，I.A.Fotidis等〔19〕在類(lèi)似的研究中卻發(fā)現了相反的轉化，在經(jīng)過(guò)高濃度氨和乙酸環(huán)境中馴化后的系統中提高氨濃度，結果產(chǎn)甲烷途徑由SAO細菌與H2利用型產(chǎn)甲烷菌（Methanobacterialesspp.和Methanomicrobialesspp.）共生途徑轉變?yōu)橐宜崂猛緩剑∕ethanosarcinaceaespp.）；未馴化的系統暴露于7000mg/L環(huán)境時(shí)，未觀(guān)察到產(chǎn)甲烷的途徑發(fā)生轉變，而Methanosarcinaceaespp.為主要的產(chǎn)甲烷菌。
最近的研究中，Methanosarcinasp.（甲烷八疊球菌）作為一種具有超強耐受性的產(chǎn)甲烷菌被重新提出〔35〕。Methanosarcinasp.可以利用乙酸或H2兩種途徑合成甲烷，并且其形成的菌落擁有較大的比表面積，這些特征使Methanosarcinasp.可以在7000mg/L等嚴酷條件下生存，因而有研究者認為，將SAO細菌與Methanosarcinasp.構成的共生菌團接種于反應器中能夠提高厭氧消化過(guò)程的穩定性。但是近期一些關(guān)于接種SAO共生菌團的研究并未成功〔36〕，可能是由于產(chǎn)甲烷菌生長(cháng)速率過(guò)慢導致。
2.2.2微生物固定
在厭氧反應器內添加不同的惰性材料（黏土、沸石和活性炭等），通過(guò)吸附、離子交換、擴大微生物菌落比表面等作用，能夠減輕氨抑制、穩定厭氧消化過(guò)程〔37〕。C.Tada等〔38〕研究了不同沸石對氨的去除效果，結果發(fā)現天然絲光沸石不僅能去除氨，而且在高TAN條件下（4500mg/L）能夠促進(jìn)甲烷產(chǎn)量。K.Sasaki等〔39〕向厭氧消化反應器添加碳纖維織物（CFT），在TAN質(zhì)量濃度為3000mg/L時(shí)，檢測到大量的產(chǎn)甲烷古細菌和Methanosarcinasp.附著(zhù)在CFT上；未裝載CFT的反應器則在TAN質(zhì)量濃度為1500mg/L時(shí)即已表現出產(chǎn)氣率下降。
2.2.3元素添加
研究表明一些常量元素的離子（如Na+、Mg2+、Ca2+等）可以削弱或消除厭氧消化反應中氨的抑制作用。B.Demirel等〔40〕研究M.hungatei內的K+傳遞時(shí)發(fā)現，當M.hungatei受氨作用被抑制后，添加Mg2+或Ca2+使甲烷菌重新恢復活性。另有研究發(fā)現，Na+有助于Methanosarcinabarkeri抵抗氨的毒性作用，而Ca2+可以增強Methanothrixconcilii的氨抗性。
某些微量元素（Se、Co等）的添加，也有利于增強微生物對高濃度氨的抵抗能力〔40〕。C.J.Banks等〔41〕通過(guò)添加Se和Co（1.6×10-4g/kg和2.2×10-4g/kg），TAN質(zhì)量濃度即使在5000~6100mg/L的條件下，厭氧消化反應也能穩定進(jìn)行。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
2.3其他方法
通過(guò)一些物理化學(xué)方法，如稀釋、吹脫、化學(xué)沉淀等也可以達到去除氨的目的。H.B.Nielsen等〔42〕向穩定的厭氧消化反應器投加氯化銨驗證4種不同稀釋方法的恢復效果。結果顯示，用新鮮牛糞稀釋后的厭氧消化反應得到最高的產(chǎn)氣速率，牛糞消化液稀釋的系統表現出更穩定的恢復過(guò)程。M.Walker等〔43〕發(fā)現吹脫法可以有效去除消化液中的氨，并且去除效果符合關(guān)于TAN的一階動(dòng)力學(xué)模型；而且實(shí)驗證明原位吹脫法能夠適應較大范圍的有機負荷率，消化前氨吹脫法更有利于對各個(gè)工藝單元的操作控制。S.Uludag?鄄Demirer等〔44〕厭氧處理牛糞時(shí)，向反應器加入MgCl2•6H2O以形成鳥(niǎo)糞石（MgNH4PO4•6H2O）沉淀來(lái)去除消化液中的氨，反應如式（2）所示，結果提高了對NH3去除率。
3總結
厭氧消化氨抑制過(guò)程復雜，其抑制作用受pH、溫度、底物、微生物等多方面因素影響。目前關(guān)于氨抑制解除方法的研究主要集中在調節工藝參數控制FAN濃度和通過(guò)馴化提高微生物對氨的耐受能力。
然而，通過(guò)調節工藝參數（pH、溫度、碳氮比等）來(lái)控制單一因素——氨濃度，必然會(huì )引起其他因素的變化，如降低pH減輕氨抑制的同時(shí)卻增加了系統VFA的濃度，亦有可能導致厭氧消化過(guò)程受VFA累積抑制；降低反應溫度可消除氨抑制作用，但同時(shí)厭氧消化過(guò)程中各類(lèi)微生物反應活性也會(huì )受到影響，造成甲烷產(chǎn)量下降。因此，對工藝參數的調節最終將使厭氧消化反應達到一種相對的平衡狀態(tài)，甲烷產(chǎn)量達到一定閾值。惰性材料和元素添加則由于經(jīng)濟性問(wèn)題，難以大規模使用。因而通過(guò)微生物馴化增強氨抗性是繼續發(fā)展解決氨抑制問(wèn)題的主要途徑，未來(lái)研究重點(diǎn)可偏向于縮短馴化時(shí)間、提純優(yōu)良甲烷菌種、穩定接種方式等。
