来源：《环境工程学报》年4期
作者：张玉秀1，孟晓山1,2，王亚炜2,3，郁达伟2,3，魏源送2,3,4,*
单位：1.中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院；2.中国科学院生态环境研究中心环境模拟与污染控制国家重点联合实验室；3.中国科学院生态环境研究中心水污染控制实验室；4.中国科学院大学
摘要：氨氮抑制是造成畜禽养殖废弃物厌氧消化处理效率低和运行稳定性差的主要因素之一。在总结国内外研究进展的基础上，简述了氨氮的来源及抑制阈值，剖析了氨氮抑制的机理及其影响因素，从氨氮的缓冲和微生物驯化2个方面总结了氨氮抑制的应对措施。建议重点加强畜禽养殖废弃物厌氧消化过程中氨氮释放规律、“氨氮-VFAs-碳酸盐”三元缓冲体系的调控模式、氨氮抑制的微生物学机制等方面的研究，以期为提高畜禽养殖废弃物厌氧消化工程的处理效率和运行稳定性提供参考。我国是畜禽养殖大国，每年产生约38×t畜禽粪污，仍有40%未有效处理和利用。随着畜禽养殖集约化程度的不断提高，大量废弃物的集中排放给周边环境带来了严峻挑战。年5月31日，国务院办公厅发布了《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》，要求到年全国畜禽粪污综合利用率达到75%以上。厌氧消化技术可对有机废弃物进行无害化、减量化处理，在控制环境污染的同时回收能源，已广泛应用于畜禽养殖废弃物处理。然而厌氧消化能否稳定、高效地运行易受微生物代谢过程中累积的化学物质（如氨氮、VFAs、H2S等）浓度的影响。其中：氨氮一方面为厌氧微生物生长、繁殖提供重要的氮源，为厌氧消化系统提供部分碱度；另一方面，当氨氮超过一定浓度时会对微生物产生强烈的抑制作用，造成产气量低或不产气，即氨氮抑制，氨氮已成为典型的微生物活性抑制剂。
关于厌氧消化过程中出现的氨氮抑制问题，国内外已经开展了许多研究工作。早期研究主要集中在剩余污泥厌氧消化减量化方面，但由于污泥来源与种类不尽相同，氨氮抑制的问题并非普遍存在。畜禽废弃物中普遍存在大量的含氮有机物（表1），在厌氧消化过程中，它们逐渐降解并释放氨氮，进而增加了潜在的氨氮抑制风险，这大大推动了氨氮抑制的研究进展。因此，本研究以畜禽废弃物厌氧消化处理为对象，从氨氮的来源及抑制阈值、抑制机理及其影响因素、应对措施3个方面对近年来国内外的相关研究进行归纳总结，并重点分析氨氮浓度对厌氧微生物群落结构的影响，为氨氮抑制的预防、缓解和消除等调控措施提供依据和参考。
1氨氮的来源及抑制阈值
1.1氨氮的来源畜禽养殖废弃物以粪便、尿液以及冲洗水为主，此外还有少量的死畜禽和饲料残渣等，各类废弃物中均有丰富的氮元素。以生猪养殖为例，猪粪便中粗蛋白总量占粪便干重的17.3%，猪尿中仅氨氮浓度就高达mg·L-1，病死猪体内13.2%是蛋白质。我国规模化畜禽养殖以猪、牛、鸡为主，其产生的废弃物量占比最大，表1列举了这3类畜禽粪便的部分理化指标。从表1看出，猪粪、牛粪、鸡粪均有丰富的凯氏氮（TKN），且鸡粪中的TKN含量是猪粪或牛粪的近2倍，但三者的C/N差异较大。这些含氮有机物，包含尿液中的尿素、尿酸、尿囊素等，在厌氧微生物的生化作用下，水解、酸化细菌将蛋白质为主的大分子含氮有机物逐渐降解并释放氨氮，由此产生的氨氮可由式（1）的化学计量关系求得：
尿素及游离氨基酸等小分子有机氮分别在尿酶和脱氨基酶作用下迅速水解释放形成初始的氨氮，这部分NH4+-N是微生物代谢、繁殖过程中最直接的氮源，还构成一定的碱度和缓冲体系，对厌氧消化有一定的促进作用。然而，由于厌氧微生物细胞增殖缓慢，只有少量的NH4+-N用于细胞合成，因此，在高含氮底物的厌氧消化体系中，随着有机氮的降解，氨氮浓度往往较高，对产甲烷过程有着潜在的不利影响。
1.2氨氮抑制阈值氨氮在厌氧消化体系内以NH4+离子和NH3分子（freeammonianitrogen，FAN）2种形态存在，其和称为总氨氮（totalammonianitrogen，TAN），并以此衡量氨氮的浓度水平。对于厌氧微生物，TAN浓度为50~mg·L-1时利于厌氧消化；~mg·L-1时没有拮抗作用；在~mg·L-1时会受到抑制，尤其在高pH厌氧体系；超过mg·L-1时，厌氧消化过程在任何pH条件下微生物均会受到不同程度的抑制。畜禽废弃物中丰富的有机氮给其厌氧消化处理带来了潜在的氨氮抑制风险。HASHIMOTO在40kg·m-3有机负荷下对肉牛粪厌氧消化时，发现反应器内累积的TAN浓度达到mg·L-1时出现了明显的氨氮抑制现象。氨氮浓度的累积造成了厌氧消化的崩溃。WEBB等研究了1%~10%TS下蛋鸡粪高温厌氧消化的产气能力，在低TS浓度下，产气量随着TS增大而提升，但提升TS至高浓度时，氨氮浓度也相应地从mg·L-1逐渐升高至mg·L-1，产气能力逐渐受到抑制，单位挥发性固体（volatilesolid，VS）产气率下降10%以上，说明氨氮抑制的发生存在一定阈值。陈闯等开展猪粪连续干式发酵的实验结果表明，随着TS由20%提升至35%，氨氮浓度从mg·L-1增加到mg·L-1，而单位VS产气率减少了74.1%。为了衡量氨氮抑制的程度，HANSEN等研究猪粪厌氧消化，pH为8.0，TAN浓度为mg·L-1时即面临氨氮抑制问题，并对4个温度（37、45、55、60℃）条件下猪粪厌氧消化的甲烷产气效果进行分析。研究发现其甲烷产量均显著低于猪粪的理论产甲烷量，主要原因在于FAN浓度达到mg·L-1及以上，引起了对产甲烷微生物的抑制作用，更高的FAN浓度降低了产甲烷菌的表观生长速率。结合实验结果和数据分析，他们总结并提出了氨氮抑制产气的4阶段模型，不同氨氮浓度对应不同抑制阶段：FAN浓度低于阈值mg·L-1时，沼气生产过程不受抑制；FAN浓度超过mg·kg-1时，抑制发生，形成初始抑制的第1相；然后是抑制的稳定状态；之后进入抑制阶段，随着FAN浓度的增加，表观生长速率下降。该4阶段模型可表示如下：
式中：[NH3]为FAN浓度，g·L-1；μref为产甲烷微生物在FAN浓度为mg·L-1时的表观生长速率，d-1；μr表示相对表观生长速率，为各实验组相对于FAN浓度为mg·L-1时产甲烷菌的表观生长速率，并进行了归一化处理，即μ/μref。随着FAN浓度的增加，μr呈现不同形式的下降。当FAN浓度小于mg·L-1时，μr恒定为1.0；当FAN浓度由mg·L-1增加到mg·L-1时，μr由1.0降至0.67；当FAN浓度在~mg·L-1之间时，μr以0.67的下降率稳定降低；在第4阶段，随着FAN浓度的增加，μr以近乎恒定的速率下降。
氨氮抑制除了跟TAN浓度密切相关，还受底物的理化性质、接种物对氨氮的耐受性以及厌氧消化操作条件（温度、pH及有机负荷）的影响，故其抑制阈值也会有差异。表2列举了不同底物及工艺操作条件下厌氧消化过程出现的氨氮抑制效果。已有研究结果表明，氨氮的抑制浓度有一个较大的范围，例如，当TAN浓度达到~mg·L-1时厌氧消化过程不稳定，甲烷产量下降，甚至当TAN浓度在~mg·L-1时就有可能造成厌氧消化的失败。也有研究将造成甲烷产量减少50%的TAN浓度定义为半抑制浓度（IC50），范围为~mg·L-1。厌氧消化过程中遭遇氨氮抑制的阈值差异和消化底物以及工艺操作条件的不同有较大关系。
如表2所示，鸡粪厌氧处理时更易遭遇氨氮抑制的问题，鸡粪自身的高浓度有机氮降解后就产生了较高的氨氮浓度。由于鸡粪厌氧消化较其他2种粪便更易降解，在实际应用中常处于高有机负荷、高TS下运行，这就大大提升了遭遇氨氮抑制的风险。相比鸡粪，牛粪在常温下受氨氮抑制的报道较少，可能是由于C/N相对较高，C/N比为25左右较适于厌氧微生物所需的环境，但当其经历高温厌氧消化时仍有被抑制的可能。猪粪有较丰富的有机氮，其C/N也相对较低，在厌氧消化处理高浓度猪粪废弃物时极有可能触发氨氮抑制问题。此外，猪尿产生总量大于猪粪，但在收集过程中并不分开单独处理，猪尿中高浓度的氨氮及尿素含量会进一步提高厌氧消化遭遇氨氮抑制的风险。此外，高含固厌氧消化（含固率8%~20%）是新兴的厌氧消化工艺，能够较好地弥补传统厌氧消化的不足，已逐渐成为研究和应用的热点。然而，含固率的提升必然导致氨氮浓度的提升，氨氮抑制风险加剧，这是高含固厌氧消化产气率低的主要原因之一。
2氨氮抑制机理及影响因素
2.1氨氮抑制的形成机理当前，厌氧消化过程中氨氮对微生物产生抑制机理的研究有很多，一些机理已被证实，也有些争论的观点，其中广为认可的观点就是NH3分子比NH4+离子更容易对微生物产生抑制作用，且抑制程度更大，这是氨氮抑制的主要原因。SPROTT等在对纯甲烷菌种Methanobacteriumbryanti的研究中发现：FAN由于其疏水性可直接透过细胞膜进入细菌细胞内，吸引并结合细胞外的H+引起细胞内pH的改变，进而影响产甲烷菌的正常生理活动；同时，NH3分子在细胞内转化为NH4+离子引起电荷变化，为了保持电荷平衡需将部分K+移出细胞，造成细胞内K+的缺乏；并且K+转移过程还额外消耗能量，影响细胞正常的生理活动，进一步降低了产甲烷菌的活性。此外，SPROTT等还指出，NH4+离子可能直接作用于甲烷合成过程中的某些酶，导致甲烷合成的失败。GALLERT等在对蛋白质类废弃物中温和高温厌氧消化研究时证实了该观点。ELHADJ等根据NH3分子和NH4+离子对产甲烷的抑制效果，发现中温和高温下FAN的IC50浓度分别为和mg·L-1，而NH4+离子的IC50浓度则需高达和mg·L-1，这说明了NH3分子比NH4+离子对产甲烷菌产生更强的*性，更容易对产甲烷过程形成抑制作用。但LAY等认为，产甲烷菌的活性取决于NH4+离子的浓度，而不是NH3分子的浓度，而且NH4+离子和NH3分子对驯化和非驯化的厌氧系统中的影响程度各不相同，在一个经过良好驯化的厌氧微生物系统中，NH4+离子是比NH3分子更重要的产甲烷菌活性影响因素。除此之外，WIEGANT等认为高浓度TAN会影响产甲烷菌合成甲烷的途径，导致另一些代谢中间产物如丙酸、H2的积累，可能抑制乙酸利用型甲烷菌属Methanosarcina的活性，进而影响总体产甲烷效果。
总之，产生氨氮抑制并导致产甲烷减少的根本原因是氨氮影响了微生物正常的生命活动，降低了底物利用效率，进而影响底物的产甲烷潜势。然而，不同微生物对氨氮的耐受性也不相同。KAYHANIAN认为在产酸发酵菌、产氢产乙酸菌、同型产乙酸菌、产甲烷菌这4类厌氧微生物中，产甲烷菌对氨氨的耐受性最差，受到氨氮抑制时比其他微生物更有可能停止生长。研究结果表明，当TAN浓度从mg·L-1升到mg·L-1时，产甲烷菌活性下降了56.5%，但对产酸菌活性没有明显的影响。根据KARAKASHEV等的研究结果，在乙酸利用型产甲烷菌中，Methanosaetaceae比Methanosarcinaceae对FAN更敏感，而后者被认为是mg·L-1氨氮浓度下的优势菌。ZEEMAN等发现，乙酸利用型产甲烷菌-甲烷八叠球菌属Methanosarcina有大球面细胞，比表面积远大于杆状Methanothrix，那么扩散到Methanosarcina内的FAN就少，转移FAN所需能量较后者少，受FAN抑制程度低于Methanothrix。ANGENENT等采用ASBR处理猪场废弃物时，研究了氨氮浓度从0mg·L-1升高至mg·L-1过程中产甲烷菌的种群变化。结果表明：Methanosarcina的16SrRNA占总16SrRNA的比例从3.8%降至1.2%，Methanosaetaconcilii的16SrRNA占比依旧保持在2.2%以下；氢利用型产甲烷菌的16SrRNA占比则从2.3%提高至7.0%，但甲烷生成和反应器运行状况均未受影响，这说明在高氨氮浓度运行条件下，产甲烷主要途径是通过氢利用型甲烷菌和乙酸利用型甲烷菌的互生关系。不同类型的厌氧微生物对氨氮浓度的耐受性如表3所示。由此可见，在氨氮抑制的研究中，微生物对氨氮的响应与其群落结构密切相关，故需持续