銨氮對ASBR裝置厭氧污泥產甲烷活性的影響

陳 鍔，顧向陽，李 媛，李世超，包新榮

(1.甘肅省環境監測中心站, 蘭州 730020；2.南京農業大學 農業部環境微生物工程重點開放實驗室, 南京 210095)

1 材料與方法

1.1 實驗裝置及運行

實驗裝置、運行方式及人工合成廢水母液配方見文獻[7]。

1.2 不同濃度銨氮對厭氧污泥產甲烷活性影響的實驗設計

1.3 厭氧污泥產甲烷活性毒性負荷判定方法

本研究設計了兩種方法用于確定鹽分的毒性濃度。第1種方法依據ASBR穩態運行條件下，日均甲烷產量與進水NH4Cl濃度的關系來判斷，其原理是在未抑制范圍內，各馴化后反應器日均甲烷產量基本一致，而在毒性濃度下厭氧污泥產甲烷活性受抑制，甲烷產量將隨之下降。第2種方法依據甲烷轉化率與進水NH4Cl濃度的關系判斷，其原理是在非抑制濃度下，甲烷轉化率即單位質量COD經厭氧轉化生成的甲烷氣體體積是個定值，在毒性濃度下將導致甲烷轉化率下降。

1.4 檢測分析方法

pH值采用雷磁25型pH計進行測定。總有機碳(TOC)采用日本島津公司VCSN型TOC測定儀進行測定。

2 結果與討論

在兩相厭氧消化工藝處理餐廚垃圾的過程中，肉禽類等含氮物質的厭氧分解會使產酸相濾出液中存在一定濃度的銨氮[9]，可能影響后續ASBR的運行效果，為此以模擬混合酸為進水基質研究不同濃度銨氮對厭氧污泥產甲烷活性的影響。從圖1可以看出，當進水銨氮濃度為0.5 g·L-1時，TOC去除率同對照相比無明顯差異，整個運行階段TOC去除率無明顯波動，大致穩定在70%～82%之間；而當銨氮濃度處于1～7.5 g·L-1時，TOC去除率隨銨氮濃度升高明顯下降，但各ASBR反應器TOC去除率的變化趨勢較為相似，即運行初期TOC去除率隨運行時間的延長緩慢下降直至達到最低值，隨后維持穩定。各ASBR反應器達到穩態運行的時間因進水銨氮濃度有所不同，如進水銨氮濃度升至1～1.5 g·L-1和3～4.5 g·L-1時，分別運行5 d和10 d后達到各自的穩態運行狀態，而當進水銨氮濃度升至6 g·L-1和7.5 g·L-1時，系統運行17 d后才達到穩態運行狀態。從圖1還可以看出當進水銨氮濃度≤0.5 g·L-1時，對TOC去除率影響不大，整個運行期間TOC去除率穩定在75%左右；當進水銨氮濃度≥1 g·L-1時對各反應器穩態運行時TOC去除率有較大影響，比如進水銨氮濃度為1 g·L-1和1.5 g·L-1時，TOC去除率分別降至64%和58%；當銨氮濃度增加至3 g·L-1和4.5 g·L-1時，TOC去除率分別下降為44%和43%；而當銨氮濃度升到6 g·L-1以上時，TOC去除率降至不足20%。總體來看，銨氮濃度處于0.5 g·L-1以上時，隨著系統銨氮濃度的提高，ASBR的運行效率逐漸下降，說明較高的銨氮濃度會對厭氧污泥產甲烷活性產生抑制作用，這與陳祥的研究結果厭氧發酵產甲烷過程氨氮添加濃度1.0 g·L-1為氨抑制濃度閾值的研究結論基本一致[10]。

圖1 不同濃度銨氮下TOC去除率

從圖1和圖2可以看出，進水銨氮濃度不同，各ASBR反應器每日甲烷產量的變化趨勢也有所差異。進水銨氮濃度在0～1 g·L-1之間時，在系統運行前4 d內甲烷產量均在逐漸提高，隨后大體上在同一水平上波動，由于各自日均甲烷氣量在810～850 mL之間，差異并不明顯，因此可認為銨氮濃度在1 g·L-1以下時對厭氧污泥的甲烷發酵無較大影響；當進水銨氮濃度為1.5 g·L-1時，其甲烷產量亦隨運行時間的延長在逐漸增加，至第4天時達到最高值，而后逐漸下降，第7天時降至最低值，隨后穩態運行。上述4個反應器運行初始(1～4 d)產氣量的上升現象說明低濃度銨氮可以促進有機酸的甲烷發酵，這與低濃度氨氮對餐廚垃圾厭氧發酵產甲烷有一定的促進作用的研究結果相一致[10]。當進水氨氮濃度為3 g·L-1時，甲烷產量隨運行時間延長緩慢上升，至第15天達到最大產氣量(800 mL)后又逐漸回落，第17天時降至最低值600 mL，隨后趨于穩態運行；在進水銨氮濃度為4.5 g·L-1時，其ASBR內的產氣量在第2天時就迅速躥升至最高值910 mL，再逐漸下降，第4天時降到最低值705 mL，隨后保持穩態運行直至實驗結束；而當進水銨氮濃度升至6和7.5 g·L-1時，運行初期甲烷產量隨運行時間的延長呈緩慢下降的態勢，10 d后降到最低值，隨后穩態運行。

圖2 不同濃度銨氮下每日甲烷產量的變化

從圖3和圖4可以看出，當進水銨氮濃度較低(0～1 g·L-1)時，日均甲烷產量無顯著差異；超過1 g·L-1后，進水銨氮濃度對穩態運行時各反應器的甲烷產量有顯著影響，甲烷產量隨著銨氮濃度的升高而降低。當銨氮濃度為1.5 g·L-1，3 g·L-1，4.5 g·L-1，6 g·L-1和7.5 g·L-1時，對應反應器的日均甲烷產量分別為713 mL，664 mL，659 mL，379 mL和387 mL，較對照反應器的日均甲烷氣量(833 mL)分別下降了14%，20%，21%，55%和54%，這說明進水銨氮濃度高于1.5 g·L-1時對厭氧污泥產甲烷活性產生了明顯的抑制作用。經分析，甲烷日均產量與銨氮濃度間呈現明顯負相關關系，兩者的關系符合線性方程：

圖3 穩態運行期間不同銨氮濃度下混合酸的日均甲烷產量

圖4 穩態運行期間不同銨氮濃度下混合酸的甲烷轉化率

y=-64.581x+853.4(R2=0.8862)

由該方程可得出，使污泥甲烷產量下降10%和50%的銨氮濃度分別為1.61 g·L-1和6.82 g·L-1。

比較不同進水銨氮濃度條件下甲烷轉化率的變化亦可得出同樣的結果，在銨氮濃度為0～1 g·L-1時，污泥的甲烷轉化率無顯著差異(0.25 L·g-1COD)，但隨著銨氮濃度的逐步提高，對應ASBR中厭氧污泥的甲烷轉化率呈明顯下降趨勢，比如在進水銨氮濃度為1.5 g·L-1，3 g·L-1，4.5 g·L-1，6 g·L-1和7.5 g·L-1時，污泥的甲烷轉化率分別降至0.21 L·g-1COD，0.2 L·g-1COD，0.2 L·g-1COD，0.11 L·g-1COD和0.12 L·g-1COD，較對照ASBR中的甲烷轉化率分別下降15%，20%，20%，55%和54%，再次說明當銨氮濃度在1.5～7.5 g·L-1之間時，對厭氧污泥的產甲烷活性具有明顯抑制作用。統計分析表明，在該濃度范圍內，厭氧污泥的甲烷轉化率與銨氮濃度之間呈現負相關關系，兩者的關系符合線性關系：

y=-0.0208x+0.2641(R2=0.8747)

由此可得出，使厭氧污泥活性下降10%和50%的銨氮濃度分別為1.88 g·L-1和6.69 g·L-1。

3 結論

y=-64.581x+853.4(R2=0.8862)

由此可得，IC10和IC50下銨氮對污泥產甲烷菌抑制分別為1.61 g·L-1和6.82 g·L-1。由第2種方法得出污泥的甲烷轉化率同銨氮濃度之間亦呈現負相關關系，兩者的關系符合線性：

y=-0.0208 x + 0.2641(R2=0.8747)