揭示氨、挥发性脂肪酸（VFAs）和pH值在高固体含量厌氧消化过程中对甲烷生成的交互作用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Unraveling the Interactive Effects of Ammonia, VFAs, and pH on Methanogenesis in High-Solid Anaerobic Digestion

高固体厌氧消化中不同氮源对氨抑制、挥发性脂肪酸及pH交互作用机制研究，通过对比NH4Cl、尿素、NH3OH三种氮源，揭示了氨形态转化、酸抑制动态及微生物群落响应规律，提出低浓度尿素和NH3OH可缓解抑制并提升甲烷产率。

　　

李丹妮|张克强|高星亮|李卓武|程申伟|王思琪|马英军|杨静泉|支素丽|杜连珠

华东理工大学，上海 200237，中国

摘要

氨的抑制作用，尤其是其与挥发性脂肪酸（VFAs）和pH值的复杂相互作用，在高固体含量厌氧消化（HS-AD）过程中仍然是一个关键挑战。目前的研究往往通过使用单一氮源来简化这种相互作用。为了阐明不同氮化学性质引发的抑制机制，本研究系统地比较了三种氮源：氯化铵（AC）、尿素（UR）和氢氧化铵（AH）在不同浓度下的效果。研究目的是理清氨物种（总氨和游离氨）、VFAs、pH值与过程性能之间的因果关系。结果表明，在尿素浓度为1 mg/g和氢氧化铵浓度为1 mg/g和3 mg/g的情况下，甲烷产量分别增加了13.2%-39.2%；同时滞后阶段缩短了0.42-0.77天。添加氯化铵会导致丙酸积累增加/抑制增强，主要抑制总氨氮而非游离氨氮，并降低pH值。添加尿素减少了丙酸的抑制作用，但增加了乙酸的抑制作用（UR5组中为14.76 mg/g），同时降低了总氨氮和游离氨氮的抑制作用并降低了pH值。添加氢氧化铵在较高浓度下显著减少了丙酸的抑制作用，同时增加了丁酸和总氨氮及游离氨氮的浓度（峰值分别为1.98-2.37 mg/g）。微生物群落分析显示，氮源的添加增加了厚壁菌门（Firmicutes）和甲烷八叠球菌科（Methanosaetaceae）的相对丰度，并促进了硝酸盐还原途径和非乙酸甲烷生成途径的基因表达。

引言

厌氧消化（AD）用于将有机废物（如食物、农业和工业有机废物）转化为富含能量的沼气和富含营养的生物肥料。根据进料材料的固体含量（TS），AD过程可以分为低固体/液体厌氧消化（L-AD，TS≤15%）和高固体厌氧消化（HS-AD，TS≥15%）[1]。由于能耗低，HS-AD适用于投资小且难以处理和再利用的消化产物[2]。与L-AD类似，甲烷是由多种微生物产生的，包括水解菌、产酸菌、产酮菌以及产甲烷古菌[3]、[4]。然而，不同的微生物与特定的步骤相关，因为它们需要不同的底物和生长条件，因此在复杂的AD反应系统中必须保持微妙的平衡[5]。这种平衡在高固体含量的HS-AD中很容易被打破，从而导致酸和氨的抑制等问题[6]、[7]。

氨的抑制被认为是反应器故障的主要原因，在富含氮的底物条件下，HS-AD中的氨抑制更为明显[8]。猪粪是一种广泛产生的高氮有机废物，其抑制效应是单消化过程中的主要挑战之一。与富含碳的农业废弃物（如玉米秸秆）共消化是一种常见的策略，用于平衡碳氮比（C/N）并降低这种风险。尽管这种方法有效，但混合物本身的高固体含量仍使系统容易发生复杂的抑制相互作用。因此，猪粪-玉米秸秆系统为研究实际应用条件下的富含氮的高固体厌氧消化（HS-AD）中的氨抑制提供了一个非常相关且实用的模型。它使我们能够在反映操作挑战的条件下研究抑制机制，而不是在过于简化的合成介质中研究。

氨氮以铵离子（NH₄⁺）和游离氨（NH₃，FAN）的形式存在，共同形成总氨氮（TAN）。关于氨抑制的阈值报道差异很大。Chen等人[9]指出，在猪粪的HS-AD过程中，TAN的抑制浓度为3500-3800 mg/L，而消化过程通常在2300-2400 mg/L的浓度下被阻断；鸡粪（TS=15%）的临界阈值为6800 mg/L [10]。为了研究氨抑制的机制，一些研究使用了氯化铵或尿素作为模拟氮源[11]、[12]，但结果差异很大[13]、[14]。这可能是由于将TAN和FAN引入反应器的方式不同以及氮源导致的初始pH值不同所致。因此，探索和比较不同类型氮添加对AD抑制性能的影响非常重要，尤其是在使用动物粪便作为原料的HS-AD中。因此，本研究调查了氯化铵（铵离子，酸性溶液，快速水解）、尿素（天然，中性，缓慢水解）和氢氧化铵（游离氨平衡，碱性，强缓冲剂）对HS-AD的影响。

由于高固体含量和底物负荷，挥发性脂肪酸（VFA）的积累也是HS-AD中的常见抑制因素。VFAs的积累导致甲烷化速率低于产酸速率，从而引起pH值下降和甲烷生成菌的抑制，尤其是在启动阶段，从而延长了厌氧消化所需的时间并降低了反应器的效率[15]、[16]。研究发现，在玉米秸秆的热厌氧消化过程中，当VFA浓度为16.7-20.1 mg/g时，甲烷生成受到显著抑制[17]、[18]。Riya等人[19]还报告，在猪粪和稻草的HS-AD中，当TS高于28%时，沼气产量减少，同时伴有VFAs积累和微生物抑制。在我们之前的研究中，猪粪和玉米秸秆消化过程中VFAs对HS-AD的抑制使滞后阶段延长至79.5天，甲烷产量仅为每克挥发性固体（VS）34.8 mL [20]。由于氨的抑制通常会导致VFAs的积累，特别是在使用富含氮的底物（如动物粪便）的HS-AD中，很难区分甲烷产量减少是由于氨抑制还是酸抑制引起的。因此，有必要对此问题进行针对性研究。

尽管氨和VFAs是HS-AD的主要抑制因素，但它们的抑制活性并非恒定，而是在pH值的影响下动态变化。研究发现，随着pH值的升高，NH₃的水平也会增加[21]。较低的pH值即使在高TAN含量下也可能降低氨的抑制作用。Karlsson和Ejlertsson[22]报告，使用盐酸调整消化pH值（降低0.2-0.4个单位）可以使甲烷产量增加50%。然而，过低的pH值也不利于某些微生物（尤其是古菌）的生长，并加剧了VFAs的抑制[23]。此外，在相同的VFAs抑制水平下，pH值的升高也可以减少或消除VFAs的抑制，正如我们之前的研究所示[2]，但可能导致更多FAN的产生。相反，VFAs和氨本身也可以改变系统的pH值。因此，pH值、氨抑制和酸抑制之间存在相互作用。因此，添加具有不同初始pH值的氮源对于研究整个系统的抑制机制具有更大的实际意义。

研究人员越来越意识到，抑制作用源于多种因素（如氨物种、VFAs、温度）的复杂相互作用[6]、[21]、[24]，而不仅仅是单一抑制因素[25]、[26]。遗憾的是，据我们所知，还没有研究探讨过使用猪粪和玉米秸秆的HS-AD系统中氨、VFAs和pH值之间相互作用的具体机制。因此，本研究首先添加了具有不同化学性质的多种氮源，具体包括氯化铵（铵离子，酸性溶液，快速水解）、尿素（天然，中性，缓慢水解）和氢氧化铵（游离氨平衡，碱性，强缓冲剂）。详细的研究目标是：（1）评估不同氮源添加对氮转化、VFAs积累和pH值变化的影响；（2）氨、VFAs和pH值之间的关联及其对HS-AD性能的综合影响；（3）微生物及其相关代谢途径对氨、VFAs和pH值变化的响应。本研究将为富含氮的底物条件下HS-AD中氨抑制、VFAs抑制和pH值变化的相互作用提供有用的见解。

部分摘录

原料和接种剂

猪粪（PM）和玉米秸秆（MS）来自中国天津西青区的一个养猪场。使用前对猪粪进行了筛分以去除大颗粒。玉米秸秆经过风干并切碎成1.0-3.0 mm的片段。接种剂是我们实验室中用猪粪和玉米秸秆进行批次HS-AD反应后的沼气残余物。进料材料和接种剂的特性见表1。

实验设置和设计

猪粪和玉米秸秆按VS比2:1混合，然后将接种剂和蒸馏水混合

氨胁迫下的甲烷产生

不同氮源和氨水平下HS-AD的日甲烷产量（DMY）和累积特定甲烷产量（CSMY）如图1所示。从图1a-c可以看出，CK组的DMY分别在第6天、12天和18天达到峰值，这是由于底物中不同成分的生物降解时间不同所致。当AC浓度为1 mg-N/g、3 mg-N/g和5 mg-N/g时（图1a），日气体峰值分别降至2、1和0，峰值时间也相应延迟。

结论

在本研究中，观察到猪粪和玉米秸秆的HS-AD过程中氨、VFAs和pH值之间的交叉抑制机制。不同氮源对HS-AD的影响显著不同，AC加剧了酸的抑制作用。适量的UR（1 mg/g）和AH（1 mg/g和3 mg/g）缓解了酸的抑制，从而提高了甲烷产量。在不同形式的外源氮下确定了主要抑制因素。

未引用参考文献

[43], [44]

CRediT作者贡献声明

王思琪：数据可视化。程申伟：写作——审稿与编辑。杨静泉：软件支持。马英军：资源获取。杜连珠：项目管理和资金筹集。支素丽：项目管理和资金筹集。李丹妮：初稿写作。张克强：监督和资源提供。李卓武：正式分析。高星亮：数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFD1702000）、科学技术研究项目（NGHJG 2023）、中国农业科学院创新项目以及中国云南省科技厅项目（202402AE090032）的支持。