厭氧消化技術(shù)主要用于處理有機(jī)廢物，如高濃度有機(jī)廢水、農(nóng)業(yè)廢棄物、餐廚垃圾、剩余污泥等；反應(yīng)同時產(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(xù)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(jī)負(fù)荷、剩余污泥量小、綠色能源回收以及較低的運(yùn)行和維護(hù)費用等優(yōu)勢，得到廣泛應(yīng)用并迅速發(fā)展。然而，一些環(huán)境因素如pH、溫度、有機(jī)負(fù)荷和氨氮濃度（自由氨+銨離子）等影響著厭氧消化過程的穩(wěn)定進(jìn)行。其中，氨的毒性抑制被認(rèn)為是影響厭氧消化過程的最主要因素，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）以及馴化時期等條件的影響。隨著厭氧消化反應(yīng)器內(nèi)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(yán)重影響產(chǎn)甲烷菌的活性，從而降低反應(yīng)器產(chǎn)氣效率，甚至最終導(dǎo)致反應(yīng)失敗。
目前，國內(nèi)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(jī)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(fù)方法的研究鮮有系統(tǒng)的歸納總結(jié)。筆者通過對近年國內(nèi)外氨抑制研究的總結(jié)，分析和闡釋氨抑制的形成機(jī)理，從氨濃度和微生物兩個角度出發(fā)重點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。
1氨抑制的機(jī)理研究
氨是厭氧消化過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，其和稱為總氨氮（TAN），用以衡量氨的濃度水平。基質(zhì)中低濃度的氨可以作為微生物的營養(yǎng)物質(zhì)，而高濃度的氨會嚴(yán)重降低微生物活性。T.Liu等研究認(rèn)為，TAN的適宜質(zhì)量濃度為200mg/L。當(dāng)TAN質(zhì)量濃度超過3000mg/L時，厭氧消化過程在任何pH條件下都會受到抑制。
目前，對氨抑制機(jī)理的研究認(rèn)識還不完善，已經(jīng)提出的機(jī)理假設(shè)有：（1）FAN引起細(xì)胞內(nèi)pH的改變；（2）NH3與K+交換造成微生物細(xì)胞內(nèi)K+的缺乏；（3）額外能量消耗對細(xì)胞正常生理活動的影響；（4）NH4+對酶反應(yīng)的直接影響。G.D.Sprott等在純甲烷菌種的研究中發(fā)現(xiàn)FAN由于其疏水性可直接透過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，并結(jié)合細(xì)胞外的H+引起細(xì)胞內(nèi)pH的改變，影響產(chǎn)甲烷菌正常生理活動；同時，NH3在細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為NH4+引起電荷變化，致使甲烷菌耗能將K+移出細(xì)胞以保持電荷平衡，造成細(xì)胞內(nèi)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程中的某些酶，導(dǎo)致甲烷的合成失敗。W.Wiegant等探究氨抑制機(jī)理認(rèn)為，高濃度TAN嚴(yán)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(wěn)定的厭氧消化過程主要依賴于水解發(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。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驗中發(fā)現(xiàn)，TAN質(zhì)量濃度范圍在4051~5734mg/L時，產(chǎn)酸細(xì)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(xiàn)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(rèn)為高濃度氨更易影響H2和CO2合成甲烷的過程。其原因可能歸結(jié)于氨濃度高低的影響，當(dāng)TAN質(zhì)量濃度超過1700mg/L時，氨對乙酸利用型產(chǎn)甲烷菌的抑制作用強(qiáng)于H利用型甲烷菌，而當(dāng)?shù)陀谶@個臨界濃度時，H利用型甲烷菌更易受到影響。不同類型的產(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(dāng)前應(yīng)對氨抑制的解除技術(shù)主要通過兩個方面來進(jìn)行，一是降低高濃度氨，尤其是FAN，通過對pH、溫度、碳氮比等因素的調(diào)節(jié)來完成；二是馴化產(chǎn)甲烷菌種群，通過填料固定、元素添加等方式增強(qiáng)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(tǒng)的pH不僅對微生物生理活性存在影響，而且與反應(yīng)體系內(nèi)FAN濃度的高低直接相關(guān)，F(xiàn)AN與pH的關(guān)系如式（1）所示，隨著pH的升高，F(xiàn)AN濃度逐漸增加（當(dāng)溫度分別為25、35、55℃時，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(shù)。
由較高pH帶來的高濃度FAN嚴(yán)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(tǒng)pH，最終FAN、VFAs和pH相互作用使整個厭氧消化系統(tǒng)達(dá)到一種“抑制平衡狀態(tài)”，這種狀態(tài)下系統(tǒng)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(tǒng)內(nèi)FAN水平直接相關(guān)，而非銨離子的影響。因而可以通過控制pH降低FAN濃度來減輕氨的毒性作用。
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，將系統(tǒng)pH從7.5調(diào)節(jié)至7.0，也發(fā)現(xiàn)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發(fā)現(xiàn)，pH為7.2，TAN為1000mg/L的條件下系統(tǒng)中對應(yīng)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，對應(yīng)FAN濃度便達(dá)到這一安全濃度，因而M.Kayhanian建議高溫厭氧系統(tǒng)pH應(yīng)控制在7.0左右。
2.1.2溫度控制
溫度對微生物的生長速率和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(tǒng)內(nèi)高微生物活性和FAN濃度都會得到提高，因而產(chǎn)甲烷菌的代謝活動有可能受到抑制。研究了FAN濃度與厭氧消化溫度和pH的具體關(guān)系，結(jié)果表明：相同pH條件下，系統(tǒng)反應(yīng)溫度越高，F(xiàn)AN所占TAN比例越大。
研究者發(fā)現(xiàn)，高溫產(chǎn)甲烷菌相比中溫產(chǎn)甲烷菌對氨抑制具有更強(qiáng)的耐受能力。C.Gallert等〔30〕利用厭氧消化處理有機(jī)垃圾，中溫條件下甲烷產(chǎn)量在氨質(zhì)量濃度為220mg/L時降低了50%；而高溫條件下，氨質(zhì)量濃度為690mg/L時才引起甲烷產(chǎn)量50%的下降幅度。然而，就整個系統(tǒng)而言，高溫厭氧消化過程相對中溫厭氧消化過程更容易受到FAN抑制作用。A.G.Hashimoto等〔31〕將氨質(zhì)量濃度逐步提高超過3000mg/L時，高溫消化系統(tǒng)難以維持，而中溫系統(tǒng)能在4000mg/L的條件下繼續(xù)運(yùn)行。此外，I.Angelidaki等〔32〕在40~64℃范圍內(nèi)研究認(rèn)為，當(dāng)FAN質(zhì)量濃度超過700mg/L時，為保證系統(tǒng)不受氨抑制應(yīng)當(dāng)控制反應(yīng)溫度在55℃以下。
2.1.3調(diào)節(jié)碳氮比
過高的碳氮比會引起系統(tǒng)氮源的不足，無法充分消耗碳源；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(yīng)器消除氨抑制作用及其穩(wěn)定運(yùn)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(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)控制碳氮比在27~32時最有利于阻止氨抑制現(xiàn)象發(fā)生和保持產(chǎn)氣穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)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(jié)果表明，當(dāng)碳氮比為32時，系統(tǒng)中的氨濃度相比碳氮比為27時減少了30%。
碳氮比的調(diào)節(jié)一般可通過不同反應(yīng)底物間的混合來完成，相比其他方法，具有經(jīng)濟(jì)合理、易于操作和增加產(chǎn)氣量等優(yōu)點。P.Shanmugam等〔27〕利用城市生活垃圾與皮革廢水混合調(diào)節(jié)碳氮比為15時，得到最大產(chǎn)氣量并控制了氨抑制。但是，碳氮比的調(diào)節(jié)過程相對較為緩慢，必須在系統(tǒng)被完全抑制之前進(jìn)行，如果氨抑制作用下系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)VFA積累、pH下降等現(xiàn)象，即使調(diào)節(jié)至合適的碳氮比，系統(tǒng)也難以從抑制狀態(tài)恢復(fù)〔29〕。
2.2微生物的強(qiáng)化
2.2.1產(chǎn)甲烷菌馴化
馴化接種是增強(qiáng)產(chǎn)甲烷菌氨適應(yīng)性的有效途徑之一。隨著系統(tǒng)內(nèi)氨濃度緩慢增加，微生物可以逐漸適應(yīng)較高氨濃度的環(huán)境。通常，TAN質(zhì)量濃度為3000mg/L時可完全抑制產(chǎn)甲烷菌，但經(jīng)過馴化的產(chǎn)甲烷菌可以在高于3000mg/L的環(huán)境中生存。I.Koster等〔12〕實驗發(fā)現(xiàn)馴化后的厭氧消化系統(tǒng)在質(zhì)量濃度高達(dá)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(tǒng)，發(fā)現(xiàn)引起氨抑制時的臨界TAN質(zhì)量濃度分別為2400、4000mg/L。
很多研究者都觀察到經(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(jī)理還未達(dá)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(xiàn)。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發(fā)現(xiàn)，隨乙酸含量和氨濃度升高，甲烷合成途徑開始由乙酸利用型產(chǎn)甲烷菌降解乙酸途徑向由互養(yǎng)型乙酸氧化（SAO）細(xì)菌與H2利用型甲烷菌的共生菌團(tuán)降解乙酸途徑轉(zhuǎn)化；當(dāng)TAN超過6000mg/L，甲烷完全由共生降解途徑合成。然而，I.A.Fotidis等〔19〕在類似的研究中卻發(fā)現(xiàn)了相反的轉(zhuǎn)化，在經(jīng)過高濃度氨和乙酸環(huán)境中馴化后的系統(tǒng)中提高氨濃度，結(jié)果產(chǎn)甲烷途徑由SAO細(xì)菌與H2利用型產(chǎn)甲烷菌（Methanobacterialesspp.和Methanomicrobialesspp.）共生途徑轉(zhuǎn)變?yōu)橐宜崂猛緩剑∕ethanosarcinaceaespp.）；未馴化的系統(tǒng)暴露于7000mg/L環(huán)境時，未觀察到產(chǎn)甲烷的途徑發(fā)生轉(zhuǎn)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(qiáng)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(yán)酷條件下生存，因而有研究者認(rèn)為，將SAO細(xì)菌與Methanosarcinasp.構(gòu)成的共生菌團(tuán)接種于反應(yīng)器中能夠提高厭氧消化過程的穩(wěn)定性。但是近期一些關(guān)于接種SAO共生菌團(tuán)的研究并未成功〔36〕，可能是由于產(chǎn)甲烷菌生長速率過慢導(dǎo)致。
2.2.2微生物固定
在厭氧反應(yīng)器內(nèi)添加不同的惰性材料（黏土、沸石和活性炭等），通過吸附、離子交換、擴(kuò)大微生物菌落比表面等作用，能夠減輕氨抑制、穩(wěn)定厭氧消化過程〔37〕。C.Tada等〔38〕研究了不同沸石對氨的去除效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(yīng)器添加碳纖維織物（CFT），在TAN質(zhì)量濃度為3000mg/L時，檢測到大量的產(chǎn)甲烷古細(xì)菌和Methanosarcinasp.附著在CFT上；未裝載CFT的反應(yīng)器則在TAN質(zhì)量濃度為1500mg/L時即已表現(xiàn)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(yīng)中氨的抑制作用。B.Demirel等〔40〕研究M.hungatei內(nèi)的K+傳遞時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)M.hungatei受氨作用被抑制后，添加Mg2+或Ca2+使甲烷菌重新恢復(fù)活性。另有研究發(fā)現(xiàn)，Na+有助于Methanosarcinabarkeri抵抗氨的毒性作用，而Ca2+可以增強(qiáng)Methanothrixconcilii的氨抗性。
某些微量元素（Se、Co等）的添加，也有利于增強(qiáng)微生物對高濃度氨的抵抗能力〔40〕。C.J.Banks等〔41〕通過添加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(yīng)也能穩(wěn)定進(jìn)行。具體參見http://www.dongaorq.cn更多相關(guān)技術(shù)文檔。
2.3其他方法
通過一些物理化學(xué)方法，如稀釋、吹脫、化學(xué)沉淀等也可以達(dá)到去除氨的目的。H.B.Nielsen等〔42〕向穩(wěn)定的厭氧消化反應(yīng)器投加氯化銨驗證4種不同稀釋方法的恢復(fù)效果。結(jié)果顯示，用新鮮牛糞稀釋后的厭氧消化反應(yīng)得到最高的產(chǎn)氣速率，牛糞消化液稀釋的系統(tǒng)表現(xiàn)出更穩(wěn)定的恢復(fù)過程。M.Walker等〔43〕發(fā)現(xiàn)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的一階動力學(xué)模型；而且實驗證明原位吹脫法能夠適應(yīng)較大范圍的有機(jī)負(fù)荷率，消化前氨吹脫法更有利于對各個工藝單元的操作控制。S.Uludag?鄄Demirer等〔44〕厭氧處理牛糞時，向反應(yīng)器加入MgCl2•6H2O以形成鳥糞石（MgNH4PO4•6H2O）沉淀來去除消化液中的氨，反應(yīng)如式（2）所示，結(jié)果提高了對NH3去除率。
3總結(jié)
厭氧消化氨抑制過程復(fù)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(diào)節(jié)工藝參數(shù)控制FAN濃度和通過馴化提高微生物對氨的耐受能力。
然而，通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)（pH、溫度、碳氮比等）來控制單一因素——氨濃度，必然會引起其他因素的變化，如降低pH減輕氨抑制的同時卻增加了系統(tǒng)VFA的濃度，亦有可能導(dǎo)致厭氧消化過程受VFA累積抑制；降低反應(yīng)溫度可消除氨抑制作用，但同時厭氧消化過程中各類微生物反應(yīng)活性也會受到影響，造成甲烷產(chǎn)量下降。因此，對工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)最終將使厭氧消化反應(yīng)達(dá)到一種相對的平衡狀態(tài)，甲烷產(chǎn)量達(dá)到一定閾值。惰性材料和元素添加則由于經(jīng)濟(jì)性問題，難以大規(guī)模使用。因而通過微生物馴化增強(qiáng)氨抗性是繼續(xù)發(fā)展解決氨抑制問題的主要途徑，未來研究重點可偏向于縮短馴化時間、提純優(yōu)良甲烷菌種、穩(wěn)定接種方式等。
