疫病動物尸骸廢水高溫厭氧消化中的氨抑制

于可可， 李 平， 王蘇女， 王麗蘋， 朱鳳霞， 吳錦華

(1.華南理工大學 環境與能源學院工業聚集區污染控制與生態修復教育部重點實驗室， 廣州 510006； 2.華南理工大學 污染控制與生態修復廣東省普通高等學校重點實驗室， 廣州 510006； 3.華南理工大學 固體廢物處理與資源化廣東省環境保護重點實驗室， 廣州 510006)

疫病動物尸骸廢水高溫厭氧消化中的氨抑制

于可可1,2,3， 李 平1,2,3， 王蘇女1,2,3， 王麗蘋1,2,3， 朱鳳霞1,2,3， 吳錦華1,2,3

(1.華南理工大學 環境與能源學院工業聚集區污染控制與生態修復教育部重點實驗室， 廣州 510006； 2.華南理工大學 污染控制與生態修復廣東省普通高等學校重點實驗室， 廣州 510006； 3.華南理工大學 固體廢物處理與資源化廣東省環境保護重點實驗室， 廣州 510006)

在不同的pH值和進水總氨氮(TAN)濃度下進行批次實驗，對疫病動物尸骸廢水高溫厭氧消化中的氨抑制作用進行了研究。結果表明，分別固定pH值為7.0，7.4，7.8，8.2時，每個pH值下設置4個初始TAN濃度為100，800，1400，2400 mg·L-1，COD去除率分別下降了11.1%，26.7%，50.4%，74.4%，游離氨(FAN)濃度則分別從4，9，20，38 mg·L-1上升到90，214，474，916 mg·L-1，FAN濃度的升高是反應器COD去除率下降的主要原因。產酸作用與產甲烷作用受氨抑制程度均隨著TAN的升高而增加，且pH值越高，增加的趨勢越明顯，pH值為8.2時，FAN對兩者的IC50分別為843和453 mg·L-1，產甲烷作用比產酸作用對FAN更敏感，這導致VFA在反應器中積累。總VFA分別由26，48，129，214 mg·L-1升至150，304，528，656 mg·L-1，其中乙酸分別由22，28，76，90 mg·L-1升至90，154，356，426 mg·L-1，VFA的積累類型表現為乙酸型，FAN抑制了乙酸營養型產甲烷菌的活性。

疫病動物廢水； 高溫厭氧消化； 氨抑制； pH值； 總氨氮

疫病動物尸骸廢水(簡稱疫病動物廢水)是疫病動物尸骸經過高溫高壓蒸煮后產生的一種高有機物、高蛋白質含量的特殊廢水，其出水溫度可達60℃～70℃。含高濃度蛋白質的廢水在厭氧氨化過程會產生高濃度氨氮，游離氨(FAN)的存在對厭氧過程會產生顯著抑制[1-2]，McCarty[3]等認為當pH值大于7.4，總氨氮(TAN)超過1500 mg·L-1時，厭氧過程就會受到抑制，而疫病動物廢水的氨氮含量達9800 mg·L-1[4]。Fernandes[5]等的研究表明FAN的濃度主要取決于總氨氮(TAN)濃度，溫度，及pH值3個參數，在35℃，pH值為7.0時，FAN的含量占TAN的比例不到1%，當pH值升至8.0，FAN占比達到10%；pH值為8.0，溫度升至55℃時，FAN占比可達28%。Ho[6]等在豬場廢水高溫厭氧消化中將pH值從8.3降到6.5，FAN由916 mg·L-1降至24 mg·L-1，甲烷體積產量由200 mL·L-1升至680 mL·L-1，揮發性脂肪酸(VFA)由2059 mg·L-1降至497 mg·L-1。Hansen[7]等在TAN為6000 mg·L-1的條件下對豬糞進行厭氧消化，在pH值為8.0的條件下將消化溫度由37℃升至55℃時，FAN由750 mg·L-1升至1600 mg·L-1，甲烷產率由188 mLCH4·g-1VS下降至67 mLCH4·g-1VS，VFA由4800 mg·L-1上升至11500 mg·L-1。在高溫、高pH值下，高濃度的FAN會導致甲烷產率的下降以及VFA的積累，這顯然不利于厭氧反應器的高效運行。迄今為止，鮮有疫病動物廢水高溫厭氧消化過程氨抑制的相關報道。因此，筆者將研究FAN對疫病動物廢水高溫厭氧消化反應器運行效率的影響程度及氨抑制下VFA的積累規律，為疫病動物廢水厭氧工藝的比選提供技術基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置及運行方式

厭氧批次反應器采用250 mL的錐形瓶，有效體積200 mL。瓶口用打孔橡膠塞密封，采用氣體采樣袋收集生物氣。整個反應器置于55℃±1.0℃的水浴箱中恒溫水浴。

1.2 實驗方法

動物廢水取自廣州市某疫病動物處理中心，其水質特性如表1所示。反應器以稀釋后COD為4500 mg·L-1，TAN為736 mg·L-1的動物廢水為基質，接種40 mL來自高溫厭氧折流板反應器中的污泥。實驗分為4組，其pH值分別為7.0，7.4，7.8，8.2，每個pH值下設置4個初始TAN濃度，分別為100，800，1400，2400 mg·L-1，其中TAN為100 mg·L-1的基質采用鳥糞石法[8](Mg∶N∶P=1.3∶1∶1.1)預處理去除部分氨氮獲得，其它氨氮濃度通過添加NH4Cl來獲得。實驗中不斷調整pH值，控制pH值維持在初始值，并監測氨氮，COD，VFA，生物氣產量來評價反應器的運行狀況。

表1 疫病動物廢水原水水質 (mg·L-1)

1.3 分析方法

pH值采用pH計測定(pHS-3C，上海雷磁)；氨氮和COD按標準方法測定；生物氣采用氣體采樣袋(大連海得科技有限公司)收集；VFA采用氣相色譜測定(Echrom A90 上海儀盟科技有限公司)，色譜柱為DB-FFAP毛細管柱，尺寸為30 m×0.32 mm×0.5 μm，進樣口溫度為230 ℃，初始柱溫80 ℃，保留1 min，然后以10 ℃·min-1的速率升溫到200 ℃，保留5 min。FID檢測器溫度為250 ℃。游離氨計算公式[9]為：

式中：T為開爾文溫度，K。

酸化率計算公式[10]為：

式中：CODVFA指某一時刻反應器內的VFA當量COD；CODVFAin為基質中的初始VFA當量COD。

最大比生物氣產生速率(μBiogasmax)分析方法[11]：實驗中每隔0.5d監測一次生物氣產量，實驗結束后繪制累積生物氣產量曲線，曲線上近似直線段的區間的最大平均斜率即為最大比生物氣產生速率，以單位時間單位質量污泥產生的生物氣量來計算。

2 結果與討論

2.1 反應器的運行效果

反應器在不同pH值和TAN下運行了7d，各反應器的COD去除率如圖1所示。

由圖1可知，隨著pH值和TAN的增大，COD去除率均呈現下降趨勢。TAN為100mg·L-1時，在pH值為7.0到8.2范圍內，FAN小于38mg·L-1，低于文獻報道的最低氨抑制濃度(55mg·L-1)[12]，FAN不會對厭氧過程產生抑制，但隨著pH值從7.0升至8.2，COD去除率從82%降至72.3%，厭氧過程的最佳pH值范圍為6.8～7.2，過高的pH值影響了酶的活性及產甲烷菌對游離態VFA的利用[13]，此過程中pH值的提高使COD去除率下降了11.8%。當TAN為800，1400，2400 mg·L-1時，pH值從7.0升至8.2，COD去除率分別相對下降了36.3%，53%，74.6%，TAN越高，升高pH值對COD去除率的影響越大。

圖1 各個pH值和TAN下的COD去除率

表1 各反應器中的FAN濃度 (mg·L-1)

由表2 可知，固定pH值為7.0時，TAN從100 mg·L-1增至2400 mg·L-1，FAN由4 mg·L-1上升到90 mg·L-1，此時反應器COD去除率僅下降了11.1%；而在分別固定pH值為7.4，7.8，8.2時，FAN分別由9，20，38 mg·L-1上升到214，474，916 mg·L-1，反應器COD去除率則分別下降了26.7%，50.4%，74.4%。由此可見，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 氨抑制下的產氣特性

圖6對比了不同pH值和TAN下的μBiogasmax，以此來分析產甲烷作用受氨抑制的程度。由圖可知，TAN為100 mg·L-1，pH值為7.0，7.4，7.8，8.2時的μBiogasmax分別為133，125，121，112 mLbiogas·g-1VSSd-1，升高pH值對產甲烷作用造成了15.8%的影響。固定pH值為7.0，7.4，7.8，8.2時，隨著TAN的增大，μBiogasmax不斷降低，當TAN由100 mg·L-1升到2400 mg·L-1時，其分別下降了15.8%，29.6%，57.8%，71.4%。

對不同pH值下μBiogasmax隨TAN的變化趨勢進行曲線擬合(R2均在0.90以上)，以TAN為100 mg·L-1時的μBiogasmax為最大值，分別擬算μBiogasmax降低10%，30%，50%時的TAN濃度，以分析方法中游離氨的計算公式換算出對應的FAN濃度，得到各個pH值下FAN對產甲烷作用造成10%，30%，50%抑制時的濃度，即IC10，IC30，IC50，結果如表3所示。

圖2 pH值為7.0時TAN的累積生物氣產量

圖3 pH值為7.4時TAN的累積生物氣產量

圖4 pH值為7.8時TAN的累積生物氣產量

圖5 pH值為8.2時TAN的累積生物氣產量

圖6 最大比生物氣產生速率的變化

表3 FAN對產甲烷作用的IC10，IC30，IC50(mg·L-1)

注： “—”為此條件下未達到相應的抑制程度，TAN欄和FAN欄表示IC10，IC30，IC50分別以TAN濃度和FAN濃度計量。下同。

由表3可知，pH值為7.0～8.2時，FAN對μBiogasmax的IC10在73～105 mg·L-1，此濃度可以近似看作是FAN對產甲烷作用的抑制閾值。pH值為7.0和7.4時，由于FAN的百分含量較低，在TAN小于2400 mg·L-1的范圍內，產甲烷作用受到的抑制程度均未達到30%，在pH值為7.8和8.2時，相應的IC30分別為225和257 mg·L-1，IC50分別為392和453 mg·L-1。隨著pH值的升高，造成相同抑制程度的FAN濃度輕微上升，這和Sung[15]等的研究結果類似，在中性pH值下，微生物因處于最佳的生長環境，而對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濃度卻顯著降低，pH值從7.8升至8.2，以TAN計量的IC50從1988 mg·L-1降至1187 mg·L-1。在高pH值下，相對低濃度的TAN也會引起顯著的抑制效應，控制pH值在中性條件來降低FAN的百分含量，是減弱微生物受抑制程度的一種有效途徑。

2.3 氨抑制下的產酸特性

各反應器最終的VFA積累情況如圖7～圖10所示。在4個pH值條件下，總VFA的最終積累量均隨著TAN的增大而上升，但上升的幅度及趨勢卻明顯不同。分別固定pH值為7.0，7.4，7.8、8.2，TAN為100 mg·L-1時，總VFA積累量分別為26，48，129，214 mg·L-1，升高TAN至2400 mg·L-1，總VFA積累量則分別增至150，304，528，656 mg·L-1，但在固定pH值為8.2時，TAN增至1400 mg·L-1，VFA含量就達到了648 mg·L-1，TAN由1400 mg·L-1增至2400 mg·L-1，VFA的含量基本沒有變化。厭氧消化過程中，VFA是酸化過程的產物，同時也是產甲烷過程的底物，產酸作用與產甲烷作用受到氨抑制程度的不同會引起VFA的積累量呈現出一定的差異。

圖11對比了不同pH值和TAN下各反應器的酸化程度。由圖可知，TAN為100 mg·L-1時，4個pH值下的酸化率在81%到83%之間，pH值的改變對產酸作用的影響不顯著。分別固定pH值為7.0，7.4，7.8，8.2時，TAN從100 mg·L-1升至2400 mg·L-1，酸化率分別下降了7.2%，14.6%，30.9%，53.1%。同樣采用表3中IC10，IC30，IC50的分析方法來衡量FAN對產酸作用的抑制程度，結果如表4所示。相同pH值條件下FAN對產酸作用的IC10，IC30，IC50均大于表3中FAN對產甲烷作用的抑制值。在pH值為8.2時，FAN對產酸作用的IC50達843 mg·L-1，對產甲烷作用則為453 mg·L-1，產甲烷作用比產酸作用對FAN更為敏感，Niu[10]等在雞糞的長期高溫厭氧發酵中得到了相同的結論。同樣條件下，產酸作用受到的抑制比產甲烷作用小，導致VFA在反應器中積累，但積累量的大小與兩者受到抑制程度的差異的大小有關。在固定pH值為8.2時，酸化率曲線的斜率隨TAN的增大而變化不大，而μBiogasmax曲線的斜率則隨著TAN的增大而減小，尤其在TAN為1400～2400 mg·L-1段，μBiogasmax下降趨勢明顯減緩，TAN為1400 mg·L-1時，酸化率和μBiogasmax分別受到了33.3%，56.3%的抑制，而TAN為2400 mg·L-1時，兩者受到的抑制程度則分別為53.1%和71.4%，在TAN從1400 mg·L-1增至2400 mg·L-1的過程中，產酸作用與產甲烷作用受抑制程度的差異在不斷減小，這可能是總VFA積累的趨勢不再繼續上升的原因。

由于不同pH值和TAN下，氨抑制的程度不同，VFA的組成呈現出一定的差異。如圖4所示，TAN為100 mg·L-1時，產酸作用受pH值的影響不大，而產甲烷作用受到了一定的影響，導致VFA含量隨pH值的升高而增大，固定pH值為7.0時，VFA含量僅為26 mg·L-1，升高pH值至8.2，VFA積累至214 mg·L-1，其中異丁酸和丁酸的降解較為徹底，乙酸、丙酸、異戊酸的含量則分別為90，54，62 mg·L-1。在同一pH值下，增大TAN濃度，除乙酸外，丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸的含量均變化不大。分別固定pH值為7.0，7.4，7.8，8.2時，TAN從100 mg·L-1增至2400 mg·L-1，乙酸分別由22，28，76，90 mg·L-1升至90，154，356，426 mg·L-1，乙酸含量在不斷增大。Callia[16]等認為氨抑制發生時，降解丙酸的微生物會受到較大的影響，而本研究中所有反應器中丙酸的積累量均在100 mg·L-1以下，其受氨抑制的影響并不明顯。但是乙酸濃度隨TAN的變化趨勢說明了在氨抑制的過程中乙酸的利用受到了限制。Niu[17]等對氨抑制前后的微生物種群進行了分析，結果顯示在氨抑制后，未檢測到乙酸營養型產甲烷菌Methanosarcina mazei Go1，而在氨抑制前，其在古細菌中占比達到11.1%。顯然，在本實驗中，乙酸營養型產甲烷菌的活性受到了FAN的抑制。

圖7 pH值為7.0時VFA積累變化

圖8 pH值為7.4時VFA積累變化

圖9 pH值為7.8時各VFA積累變化

圖10 pH值為8.2時VFA積累變化

圖11 各反應器的酸化程度

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

3 結論

(1)分別固定pH值為7.0，7.4，7.8，8.2時，TAN濃度從100 mg·L-1升至2400 mg·L-1，疫病動物廢水高溫厭氧消化COD去除率分別下降了11.1%，26.7%，50.4%，74.4%，生物氣產量分別下降了9%，31%，56%，75%，FAN濃度則分別從4，9，20，38 mg·L-1上升到90，214，474，916 mg·L-1，FAN濃度的升高是反應器COD去除率及生物氣產量下降的主要原因。

(2)隨著TAN的增大，產酸作用與產甲烷作用受氨抑制的程度均不斷增加，且pH值越高，增加的趨勢越明顯。pH值為8.2時，FAN對產酸作用的IC50為843 mg·L-1，對產甲烷作用的IC50則為453 mg·L-1，產甲烷作用受到的抑制程度比產酸作用更顯著。

(3)產甲烷作用比產酸作用對FAN更敏感導致VFA在反應器中積累，分別固定pH值為7.0，7.4，7.8，8.2時，TAN從100 mg·L-1升至2400 mg·L-1，總VFA分別由26，48，129，214 mg·L-1升至150，304，528，656 mg·L-1，其中乙酸分別由22，28，76，90 mg·L-1升至90，154，356，426 mg·L-1，VFA的積累類型表現為乙酸型，FAN抑制了乙酸營養型產甲烷菌的活性。

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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

項目來源： 廣州市科技計劃項目(2012Y2-00005,2014Y2-00522)

于可可(1992-)，男，河南信陽人，碩士，主要從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