氨氮對厭氧發酵脂肪酸濃度的影響研究

徐家英

(青島市環境衛生發展中心， 山東 青島 266003)

隨著垃圾分類的進行，有機垃圾的處理越來越引起重視。其中厭氧發酵技術在有機垃圾處理中的應用越來越廣泛，對氨氮抑制的研究也引起了學術界的重視[1-4]。現有的研究主要集中于垃圾厭氧發酵的產氣量研究上，關于氨氮的毒性抑制方面較少[5-6]。

有研究表明[7-8]，在厭氧發酵系統中，盡管硝酸氨氮都將被還原成氮氣而存在于發酵氣中,但仍然存在于系統中，只有很少的氮轉化為細胞，大部分可生物降解的氮都轉化為發酵液中的氨氮，因此發酵液中氨氮的濃度都高于進料中氨氮的濃度。

厭氧發酵實驗發現，在中溫時，隨著氨氮濃度的增高，發酵狀況逐漸惡化。氨氮濃度升高抑制了產甲烷菌的活性，這就逐步阻礙了乙酸和丙酸的充分降解，從而造成有機酸積累的后果[9-10]。本試驗主要在中溫條件下，研究餐廚垃圾厭氧發酵過程中氨氮的抑制濃度和毒性抑制機理，探討對系統中脂肪酸的影響，為有機垃圾處理工程建設和運行提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 餐廚垃圾理化性質

餐廚垃圾：試驗所用餐廚垃圾取自青島大學學術交流中心[11]，垃圾成分包括米飯、蔬菜、豬肉、魚蝦、貝類、油脂等。將垃圾中雜質(貝殼、骨頭、紙巾、牙簽等)剔除之后使用家用攪肉機粉碎打漿，所有垃圾打漿完畢后混合均勻，測定其TS為19.2%，揮發性組分(VS)為18.6%。

接種物：試驗所用接種物為餐廚垃圾厭氧發酵降解殘渣，接種物固含率6%，COD 6288 mg·L-1，堿度3728 mg·L-1。

1.2 試驗裝置

試驗中使用2000 mL儲水瓶為厭氧發酵反應器，儲水瓶帶丁基橡膠塞，在橡膠塞原有兩個孔的基礎上再打一個孔，即每個橡膠塞上有3個孔，其中一個孔通入試劑瓶底部，用于通氮氣，第2個孔通入試劑瓶中間位置，用于吸取液體，第3個孔通入試劑瓶上部空間，用于取氣。

1.3 試驗方案

(1)將4個瓶子進行編號，分別是A、B、C、D瓶。

(2)反應體系以有效體積1500 mL計算，每個試劑瓶中加入900 mL已馴化好的接種物和133 g餐廚垃圾，使垃圾固含率達到2%。

(3)設置4個氨氮濃度，分別向4個試劑瓶中加入不同濃度氨氮，調節至相應濃度。

A：不加氨氮，只有900 mL接種物+133 g垃圾；

B：A基礎上加入1500 mg·L-1的氨氮，氨氮初始濃度為1890.87 mg·L-1；

C: A基礎上加入3000 mg·L-1的氨氮，氨氮初始濃度為3390.87 mg·L-1；

D：A基礎上加入4500 mg·L-1的氨氮，氨氮初始濃度為4890.87 mg·L-1；

(4)加水至1500 mL，通入氮氣，將空氣排凈，封閉瓶塞，調節pH值，進行馴化培養，每天測定一次pH值，并取一定量的液體冷凍保藏，用于測定脂肪酸組分，每天測定一次氣體濃度和氣體成分。

(5)每個濃度梯度設定2個平行樣本，實驗運行21天，運行平穩，測定反應過程中氣體產量、堿度、VFA和氨氮等。

1.4 理化指標及分析方法

氨氮測定使用蒸餾和滴定法、揮發性脂肪酸測定采用氣相色譜法、氣體產量測定使用排水取氣法、堿度使用酸堿指示劑滴定法進行測定。

1.5 其他控制條件

(1)本試驗采用恒溫箱來控溫，反應溫度設置為35℃±1℃。

(2)采用人工攪拌，每日運行時間歇攪拌兩次，使發酵物料混合均勻，并使氣體能順利產出。

(3)發酵接種物與底物比例為50∶50(VS比)。

2 試驗結果與分析

2.1 氨氮對發酵過程中累積產氣量的影響

從圖1能夠看出氨氮濃度的變化對發酵過程中累積產氣量的影響，4個反應器發酵21天后累計產氣量分別為3625 mL，5070 mL，1720 mL和300 mL。氨氮濃度為1890.87 mg·L-1時，是發酵產氣量的刺激濃度，B組反應器的累計產氣量大大超過對照組，這是微生物菌對氨氮抑制物的刺激興奮效應[12]，低濃度氨氮可以使系統產氣量增加；氨氮濃度為3390.87 mg·L-1時，是發酵產氣量的半抑制濃度，發酵進程被抑制。研究表明[13-14]，對于一個長期運行的厭氧發酵系統，其內部微生物群落在經過長期馴化后，對氨氮的承受能力已趨于穩定與飽和，但高濃度氨氮仍然會使發酵過程受到抑制。

2.2 氨氮對發酵過程中堿度的影響

堿度是厭氧發酵過程中重要的影響因素之一。圖2 顯示了4個厭氧發酵器中堿度的變化規律，可以看出4組反應器的堿度變化呈現相同的變化規律，和氨氮的變化規律相應，都是逐漸升高。

一般說來，含氮有機物的降解會導致厭氧體系中堿度增加，較高的堿度可以很好地緩沖發酵體系的pH值[15]。但從圖2可以看出，不同反應器中的堿度濃度變化不大，基本都在3300～4800 mg·L-1之間。A和B反應器的堿度最高可以達到4738.73 mg·L-1和4873.87 mg·L-1，可以很好地緩沖反應器的pH值。但 C和D反應器的最大堿度為3990.32 mg·L-1和4200.21 mg·L-1，很顯然，相對于其對應的高氨氮濃度抑制引起的酸抑制，這個堿度的含量相對有點低，不足于緩沖體系的pH值，因此C和D反應器發酵過程不穩定。

2.3 氨氮對發酵過程中脂肪酸的影響

揮發性脂肪酸是有機質經過水解和酸化形成的主要產物，主要為乙醇、乙酸、丙酸、丁酸等，這些酸化產物在產甲烷相作為甲烷菌的底物，最終降解轉化為甲烷和二氧化碳,是厭氧發酵過程中的主要控制參數之一。有研究表明[16]當發酵系統有機負荷出現較高氨氮抑制時，VFAs 的產生和消耗不平衡，易有系統酸化的狀況出現。圖3至圖6描述了在不同氨氮濃度下單個揮發性脂肪酸的變化過程。

2.3.1 乙酸濃度變化

從圖3可以看出，4個反應器的乙酸濃度都是呈現出一個先增加又緩慢降落的過程。大約都在第9天的時候達到高峰值，而后緩慢降低。其中A、B反應器乙酸濃度增長平穩，降解速度快，產甲烷量高。C、D反應器乙酸的濃度增長迅速，但降解很慢，說明由于氨氮抑制，產甲烷菌受到影響，產生的乙酸沒有及時轉化為甲烷，到試驗期結束，乙酸的濃度仍然在2000 mg·L-1，因此，C、D反應器雖然乙酸濃度高，但甲烷產量并不高，產甲烷過程被抑制。

2.3.2 丙酸濃度變化

各反應器丙酸濃度的變化情況見圖4。從圖上可以看出，丙酸濃度也是一個先增長然后逐漸降低的變化過程，第9天丙酸濃度達到最高，C、D反應器的丙酸濃度最高可達2500 ～2700 mg·L-1左右，到發酵期結束時，丙酸濃度達到1000 mg·L-1左右。丙酸在熱力學上很難被降級為乙酸，是發酵系統中不易被產甲烷菌利用的中間產物，容易使發酵過程失敗[17]。

從圖4可以看出，即使丙酸被降解到1000 mg·L-1左右，發酵系統的產氣速率仍然很低。高濃度氨氮抑制了產甲烷菌的活動，使乙酸和丙酸不能夠及時降解，從而造成有機酸積累產氣速率降低的后果[18]。

2.3.3 乙醇濃度變化

滸苔（取自連運港市在海一方的沙灘上，經過層層篩選，選取那些葉片大，厚實的滸苔，再將其反復沖洗。我們研究需要將滸苔的水分完全去除，所以把洗干凈的滸苔放在天臺上晾曬，每天晾曬時間從早上九點到下午4點，晾曬過程中要防止異物、粉塵等污染滸苔，以至于對實驗造成不必要的影響。

各反應器乙醇濃度的變化狀況見圖5。從圖上可以看出，4個反應器的乙醇濃度都是經過一個先上升后下降的變化過程。但4個反應器的乙醇濃度變化不明顯，一直維持著較低的水平。C和D反應器的乙醇濃度雖然高于A和B反應器，但變化差距不如丙酸和乙酸變化差距大。易被甲烷菌發酵利用的乙醇，到試驗期結束時，4個反應器的濃度基本在300～500 mg·L-1，說明氨氮的濃度變化對乙醇的影響不明顯。

2.3.4 丁酸濃度變化

氨氮對發酵過程中丁酸的影響見圖6。從圖上可以看出，反應器A和B的丁酸濃度在發酵后第6天達到最高峰值，分別為2130.2 mg·L-1和2076.5 mg·L-1，到試驗結束，丁酸的濃度達到0和123.9 mg·L-1，基本降解。但對于反應器C和D則情況不同，丁酸在第9天才達到最高峰值，分別達到3549.7 mg·L-1和3158.6 mg·L-1，到試驗期結束時，丁酸雖明顯降解，但濃度仍高達1269.2 mg·L-1和1510 mg·L-1。說明在高濃度氨氮的影響下，丁酸明顯出現積累。

VFA 是考察有機物質水解酸化效果的最重要的參數之一，其酸化產物中 VFA 總量大小可反映出水解的程度和有機物的酸轉化率[19]。從圖3至圖6中可以看出氨氮濃度對發酵反應系統各種脂肪酸的影響狀況。當氨氮濃度從390.87 mg·L-1增加到4890.87 mg·L-1時，脂肪酸濃度明顯出現積累。由于氨氮的毒性抑制作用，產甲烷菌活性降低，但產酸細菌的生長較快且對環境變化不敏感，造成了脂肪酸的積累，從而使反應器C和反應器D的 pH值一直處于酸性狀態，21天的發酵期后產氣量沒有得到恢復，說明氨氮引起系統的抑制一旦發生很難恢復。

3 討論

(1)有機垃圾厭氧發酵技術是一個生物反應過程，就會存在生物抑制。目前餐廚垃圾厭氧發酵工藝容易產生氨氮和鹽度的毒性抑制，使發酵過程存在產氣率低、產生的污水難以處理等普遍問題。本試驗得出氨氮濃度為1890.87 mg·L-1時，是發酵產氣量的刺激濃度;氨氮濃度為3390.87 mg·L-1時，是發酵產氣量的半抑制濃度。為餐廚垃圾厭氧發酵的過程控制提供了一個可以參考的監測數據。

(2)雖然有研究表明，對于一個長期運行的厭氧發酵系統，其內部微生物群落在經過長期馴化后，對氨氮的承受能力已趨于穩定與飽和。但試驗證明氨氮抑制會隨時發生，高濃度氨氮通過抑制脂肪酸的轉化而影響發酵系統的產氣量，使發酵過程受到抑制或者破壞。

(4)餐廚垃圾厭氧消化過程是一個復雜的生物反應過程，氨氮和鹽度以及油脂的耦合疊加抑制效應仍需進一步的探討和研究。

4 結論與分析

(1)氨氮濃度為1890.87 mg·L-1時，是系統發酵產氣量的刺激濃度，可以使系統產氣量增加；氨氮濃度為3390.87 mg·L-1時，是系統發酵產氣量的半抑制濃度。

(2)C和D反應器的最大堿度為3990.32 mg·L-1和4200.21 mg·L-1，相對于其對應的高氨氮濃度抑制引起的酸抑制，這個堿度的含量相對有點低，不足以緩沖體系的pH值，使整個發酵過程不穩定。

(3)試驗表明發酵系統受到氨氮毒性抑制時，降低了產甲烷菌的活動，這就阻礙了脂肪酸的充分降解，從而造成系統有機酸積累使發酵過程失敗。

(4)發酵系統一旦出現氨氮毒性抑制很難恢復，因此在工程運行中應隨時監測氨氮濃度變化，以便控制好發酵系統的有機負荷，當氨氮濃度接近半抑制濃度時，應立即停止進料或加入清水。