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厌氧消化过程氨氮抑制解除方法

  有机废物厌氧消化过程中,特别是针对高氮原料(餐厨垃圾、粪便、食品加工废物等)而言,氨氮是一个十分重要的控制条件,在厌氧消化过程中,由于厌氧微生物的细胞增殖很少,因此只有很少量的氮被转化成为细胞物质,大部分可生物降解的有机氮都被还原为消化液中的氨氮,氨氮是微生物重要的氮源,并且在反应过程中能够中和厌氧消化产生的挥发性有机酸,对系统的pH具有缓冲作用,但若其浓度过高,将会影响微生物的活性、抑制甲烷菌的活性。
 
 
厌氧消化过程氨氮抑制解除方法_湖北锐意自控
 
  对于接触氨氮抑制的方法,目前主要通过不同反应器类型、不同发酵温度、不同微生物种群和添加外源物这四个方面进行研究。
 
  一、不同反应器类型解除氨氮抑制
 
  单相厌氧反应器和两相厌氧消化反应器所能承受的氨氮抑制浓度不同,对于单相反应系统而言,由于反应器中的液体是出于高度混合的状态,小生境容易遭到破坏,所以微生物极易受到高浓度物质的抑制;另外,混合完全的溶液会溶出更多的氮,所以单相反应器易受到氨氮的一直,而两相厌氧反应器是把水解酸化微生物和产乙酸产甲烷微生物分别放置于各自最优的生态环境中,最大程度的提高了系统的稳定性。因此,两相消化系统对于氨氮抑制有更强的抵制作用。
 
 
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  对于两种反应器能承受的最大氨氮浓度,有研究表明,对于能够产生5g/LNH4+的固体废物进行厌氧消化研究,在单相反应器中,当有机负荷率达到4kgVSm³/d时,系统受到破坏,反应失败;而对于两相消化反应器而言,最大的有机负荷率可达到8kgVSm³/d,此时甲烷菌也未受到抑制。
 
  厌氧消化是由多种菌群参与作用的生物过程,这些微生物种群的有效代谢是互相影响、相互联结的,而两相厌氧消化会将这一有机联系的过程分开,这势必会改变中间代谢产物成分,对整个消化过程产生一定程度的影响。所以,如选择两相反应器进行氨氮抑制解除,必须要采取的适当的相分离,从而创造有利于不同细菌的生态环境。此外,由于高氮原料厌氧消化对反应器的最大有机负荷有一定的限制要求,因此在反应器和实验的设计过程中要考虑到发酵浓度和氨氮作用的敏感性。
 
  二、不同发酵温度解除氨氮抑制
 
  厌氧消化可分为3个温度范围:50-60℃成为高温发酵,20-45℃称为中温发酵,20℃以下称为低温发酵。
 
  通常认为,在一定范围内,温度越高,厌氧消化结果会更好,高温条件对于有机废物的降解和病原菌的杀灭更有效,尤其对于沼渣沼液的二次利用而言,高温处理就显得尤为重要,而在实际工程生产中,综合考虑到经济性等方面,有机废物的厌氧消化温度大多选择中温条件。
 
  目前,国内外学者的研究认为,在不同温度条件下,氨氮的抑制程度是不同的;温度越高,产生的氨氮浓度越高,自由NH3的浓度越高,甲烷含量越低。
 
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  图3、不同温度条件下氨氮浓度变化趋势图
 
  中温或者高温消化工艺对于氨氮抑制的解除,两者优缺点并重,中外学者也分别从不同角度进行了研究,对于中温消化,经济性强、产生的沼气纯度高,而高温消化产气量高、病原菌灭杀率高、原料降解更完全,所以最终温度的选择一定要综合考虑到工程运行的经济效益及原料产甲烷特性等因素,以寻求最适宜的消化温度。
 
  三、不同微生物种群解除氨氮抑制
 
  参与厌氧消化过程的微生物种群种类和数量很多,而其各自对于氨氮的抑制程度是不同的。
 
  经过高浓度氨氮驯化过的甲烷菌对氨氮抑制的抵抗能力最高,驯化过的甲烷菌能够在氨氮浓度2420mg/L直至3000mg/L的范围内快速产生甲烷,且没有任何的滞后反应;实验发现,在氨氮浓度从1000mg/L逐渐提高至6000mg/L时,相应非离子化NH3的浓度会提高到800mg/L,而COD去除率在78%-96%之间,这说明甲烷菌的活性主要受到氨氮浓度的影响,而并非NH3。甲烷菌除了易受氨氮浓度作用外,也会受到氮氧化合物的影响。研究证明70%以上的产甲烷菌是乙酸盐营养型产甲烷菌,添加硝酸盐对产甲烷过程产生了严重的抑制作用,而在没有硝酸盐影响的条件下,加入的醋酸盐、H2或丙酸盐均可提高产甲烷活性。此外,氮氧化物,如NO2、NO和N2O对许多细菌均会产生毒性作用。
 
  在处理高氮有机废物的过程中,驯化良好的甲烷菌是保持稳定甲烷产量的前提条件。除此之外,在消化过程中要对氨氮浓度进行监控,以免对产乙酸产甲烷菌和产氢产甲烷菌造成抑制危害。
 
  四、添加外源物质解除氨氮抑制
 
  添加外源物质的作用主要是对氨氮产生一定的吸附作用,目前针对氨氮去除,常用的添加剂有沸石、麦饭石、活性碳和膨润土等。
 
  对于去除氨氮的添加物的研究,有关沸石的研究最多,也是技术最成熟的。沸石由于具有独特结构和晶体化学特性,具有优良的物理化学性能,如离子交换性、吸附分离性、催化性、热稳定性等。
 
  除沸石外,麦饭石、膨润土及一些改良的添加剂也用于解除氨氮的抑制,例如利用农作物秸秆制成的改性玉米秸秆吸附剂对氨氮进行吸附,结果表明,对于改性秸秆炭黑,投加量为10g/L时,对氨氮去除率可到80%以上;对于改性膨化秸秆,投加量为12g/L时,对氨氮的去除率接近80%。
 
  利用麦饭石堆氨氮进行吸附,当氨氮质量浓度为150mg/L时,麦饭石对氨氮的吸附量可提到73.9%。
 
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图4、添加沸石对氨氮浓度影响变化趋势图
 
 
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  图5、添加麦饭石对氨氮浓度影响变化趋势图
 
  五、结论与建议
 
  氨氮是影响厌氧消化过程稳定运行的重要因素,因此必须要采取相应的措施来降低氨氮的抑制性影响程度,无论采用改进消化装置、调整消化温度、驯化微生物或添加外源物质等方式,都要根据原料自身的性质来选择。尤其是对于高氮厌氧消化原料而言,其氨氮抑制发生时间早、速度快、解除过程缓慢,且不同原料、不同接种物浓度等工艺参数会产生不同氨氮抑制时间的出现,不同程度的氨氮抑制,所以一定要有针对地选择适合的处理工艺。
 
  (来源:沼气圈)
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