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摘要：研究采用厌氧污泥和蔗糖为底物，外源添加洛克沙胂与氨氮，进行间歇厌氧消化。实验发现，同一氨氮浓度下，氨氮与洛克沙胂共同添加的实验组产甲烷菌的受抑制程度（17.4%、37.3%、58.9%、82.3%、94.3%）均大于氨氮单独添加的实验组（4.3%、10.9%、44.9%、77.8%、88.5%），实验结果表明，氨氮和洛克沙胂对产甲烷菌有联合抑制效应。
关键词：厌氧消化；氨氮；洛克沙胂；抑制
畜禽养殖废水的特征包括高浓度的有机物以及高浓度的氨氮[1]。高浓度的氨氮将会影响到产甲烷菌的活性，导致厌氧消化过程受到抑制[2-3]；同时，洛克沙胂作为一种常见的饲料添加剂，也会排泄到畜禽养殖廢水中，并且洛克沙胂及其降解产物也会对产甲烷过程产生抑制。然而，洛克沙胂与氨氮共同存在时畜禽养殖废水的厌氧消化性能鲜有报道。因此，本文研究了氨氮和洛克沙胂对厌氧消化过程的影响，旨在为畜禽养殖废水实际的处理提供有用信息。
1 材料与方法
1.1 实验设计
本实验采用200 ml具塞盐水瓶进行间歇实验，底物加入2 g/L蔗糖，并加入1 mL的微量元素溶液，保证微生物的正常生长[4]。盐水瓶接种30 mL厌氧颗粒污泥，并将溶液pH值调节至7.5。按表1所示进行装瓶，然后向瓶内持续曝氮气约3 min以获得厌氧环境。密封后，置于35oC恒温培养箱中。
1.2 样品的测定
实验中，根据厌氧消化进行情况定期取样。使用玻璃针管测定产气体积，气体组分由气相色谱仪测定，消化液中的挥发性脂肪酸（VFA）采用气相法测定（SP-6890型，鲁南瑞虹，中国山东）；采用重量法测定TS和VS [5]；氨氮浓度使用分光光度法测定。
2 结果与分析
2.1 氨氮单独抑制实验结果
依据所测的甲烷浓度与气体体积计算得出累积甲烷产量，如图1所示。累积甲烷产量随着氨氮浓度的增长而降低，表明氨氮对产甲烷菌活性具有抑制作用。对照组N0产甲烷主要发生在前6天，随后产甲烷速率逐渐下降，10天后无明显的甲烷产生，说明此时基质已基本耗尽。实验结束时，控制组共产生302 mL甲烷；而添加500、1000、2000、3000和4000 mg/L氨氮的实验组的甲烷累积产量分别为289 mL、269 mL、166 mL、67 mL和35 mL，均比对照组低；当氨氮的浓度为2000 mg/L时，产甲烷菌活性抑制程度为50%；当氨氮的浓度为4000 mg/L时，产甲烷活性抑制程度为90%。当氨氮浓度较高时，VFA的积累并不会引起pH下降。因此，在厌氧消化过程中，盐水瓶内pH值始终维持在7.1-7.5。此时，氨氮与VFA之间产生 “抑制型稳态”。
2.2 氨氮-洛克沙胂联合抑制实验结果
添加25 mg/L洛克沙胂时，不同的氨氮浓度下累积甲烷产量随时间的变化如图2所示。随着氨氮浓度的增长，各组累积甲烷产量减少。在实验结束时，控制组RN0中累积甲烷产量为246 mL；对于氨氮浓度为500、1000、2000、3000和4000 mg/L的实验组，累积产甲烷量分别为211 mL、162 mL、120 mL、36 mL和7 mL，均低于对照组。相比于未添加洛克沙胂的实验组，在相同的氨氮浓度下，氨氮-洛克沙胂联合抑制比氨氮单独抑制时的累积甲烷产量显著降低，N1、N2、N3、N4和N5的累积产甲烷量比RN1、RN2、RN3、RN4和RN5分别减少了26.9%、39.8%、27.7%、46.3%和80%。为了进一步确认氨氮和洛克沙胂是否产生了联合抑制效应，进行了抑制曲线分析。
2.3 抑制曲线分析
各实验组中产甲烷过程的抑制程度可根据对照组的累积甲烷产量与相应实验组的累积甲烷产量，由公式（1）计算得到
（1）
式中 I为抑制程度，%；
V0与Vt分别为控制组和实验组中累积的甲烷产量，mL。
将抑制水平与所投加氨氮、洛克沙胂的浓度作图拟合，分别可得不同的氨氮浓度下对产甲烷过程的抑制曲线，获得图3。氨氮的浓度在0-1000 mg/L的范围内时，其对产甲烷菌活性的抑制程度上升较慢，抑制程度并不显著，在这个浓度范围内属于轻度抑制；氨氮浓度在1000-3000 mg/L的范围内，其对产甲烷菌活性的抑制程度从10.9%增加到77.8%。在氨氮-洛克沙胂联合抑制实验中，氨氮浓度为500、1000、2000、3000和4000 mg/L的实验组相对于洛克沙胂浓度为25 mg/L的对照组来说，产甲烷过程分别受到了17.4%、37.3%、58.9%、82.3%和94.3%的抑制。对比氨氮单独抑制和氨氮-洛克沙胂联合抑制下的抑制曲线可知，在相同的氨氮浓度下，氨氮-洛克沙胂联合抑制中各组对产甲烷菌的抑制程度均比氨氮单独抑制中的各实验组高，两者相差明显，说明在氨氮和洛克沙胂的两者的共同作用下，对产甲烷菌起到了联合抑制的效果。
3 结论
在厌氧消化中，高浓度的氨氮对产甲烷菌的活性具有较高的抑制作用。而且，当氨氮与洛克沙胂同时存在时，二者对产甲烷活性起到联合抑制作用。在25 mg/L洛克沙胂和4000 mg/L氨氮的共同作用下，产甲烷活性抑制高达97.68%。
参考文献：
[1] Nielsen H B·Angelidaki I. Strategies for optimizingrecovery of the biogas process following ammonia inhibition [J]. Bioresource Technology，2008，99（17）：7995-8001
[2] Appels L，Baeyens J，Degreve J. Dewil R Principles andpotential of the anaerobic digestion of waste-activated sludge [J]. Progress Energy and Combustion Science，2008，34（6）：755-781
[3] El Hadj T B，A8tals S，Gall A，Mace S，Mata-AlvarezJ. Ammonia influence in anaerobic digestion of OFMSW [J]. Water Science and Technology，2009，59（6）：1153-1158
[4] Hu ZH，Yu HQ，Zhu RF. Influence of particle size and pH on anaerobic degradation of cellulose by ruminal microbes [J]. Int Biodeterior Biodegrad，2005，55（3）：233-238.
[5] 国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会. 水和废水监测分析方法 [M]. 2005，中国环境科学出版社
[6] Lay J J，Li Y Y，Noike T，et al. Analysis of environmental2factorsaffecting methane p roduction from highsolids organic waste [J].Water Science and Technology，1997. 36（627）：493-500
基金项目：
安徽省科技攻关计划项目（1501041130）。
作者简介：
赵培红，女，安徽省六安市排水有限公司，主要研究污水和污泥处置；
余硕果，男，安徽省六安市排水有限公司，主要研究污水和污泥处置；
余存和，男，安徽省六安市排水有限公司，主要研究污水和污泥处置；
王钦砼，男，硕士生，合肥工业大学，主要研究污水和污泥处置。
关键词：厌氧消化；氨氮；洛克沙胂；抑制
畜禽养殖废水的特征包括高浓度的有机物以及高浓度的氨氮[1]。高浓度的氨氮将会影响到产甲烷菌的活性，导致厌氧消化过程受到抑制[2-3]；同时，洛克沙胂作为一种常见的饲料添加剂，也会排泄到畜禽养殖廢水中，并且洛克沙胂及其降解产物也会对产甲烷过程产生抑制。然而，洛克沙胂与氨氮共同存在时畜禽养殖废水的厌氧消化性能鲜有报道。因此，本文研究了氨氮和洛克沙胂对厌氧消化过程的影响，旨在为畜禽养殖废水实际的处理提供有用信息。
1 材料与方法
1.1 实验设计
本实验采用200 ml具塞盐水瓶进行间歇实验，底物加入2 g/L蔗糖，并加入1 mL的微量元素溶液，保证微生物的正常生长[4]。盐水瓶接种30 mL厌氧颗粒污泥，并将溶液pH值调节至7.5。按表1所示进行装瓶，然后向瓶内持续曝氮气约3 min以获得厌氧环境。密封后，置于35oC恒温培养箱中。
1.2 样品的测定
实验中，根据厌氧消化进行情况定期取样。使用玻璃针管测定产气体积，气体组分由气相色谱仪测定，消化液中的挥发性脂肪酸（VFA）采用气相法测定（SP-6890型，鲁南瑞虹，中国山东）；采用重量法测定TS和VS [5]；氨氮浓度使用分光光度法测定。
2 结果与分析
2.1 氨氮单独抑制实验结果
依据所测的甲烷浓度与气体体积计算得出累积甲烷产量，如图1所示。累积甲烷产量随着氨氮浓度的增长而降低，表明氨氮对产甲烷菌活性具有抑制作用。对照组N0产甲烷主要发生在前6天，随后产甲烷速率逐渐下降，10天后无明显的甲烷产生，说明此时基质已基本耗尽。实验结束时，控制组共产生302 mL甲烷；而添加500、1000、2000、3000和4000 mg/L氨氮的实验组的甲烷累积产量分别为289 mL、269 mL、166 mL、67 mL和35 mL，均比对照组低；当氨氮的浓度为2000 mg/L时，产甲烷菌活性抑制程度为50%；当氨氮的浓度为4000 mg/L时，产甲烷活性抑制程度为90%。当氨氮浓度较高时，VFA的积累并不会引起pH下降。因此，在厌氧消化过程中，盐水瓶内pH值始终维持在7.1-7.5。此时，氨氮与VFA之间产生 “抑制型稳态”。
2.2 氨氮-洛克沙胂联合抑制实验结果
添加25 mg/L洛克沙胂时，不同的氨氮浓度下累积甲烷产量随时间的变化如图2所示。随着氨氮浓度的增长，各组累积甲烷产量减少。在实验结束时，控制组RN0中累积甲烷产量为246 mL；对于氨氮浓度为500、1000、2000、3000和4000 mg/L的实验组，累积产甲烷量分别为211 mL、162 mL、120 mL、36 mL和7 mL，均低于对照组。相比于未添加洛克沙胂的实验组，在相同的氨氮浓度下，氨氮-洛克沙胂联合抑制比氨氮单独抑制时的累积甲烷产量显著降低，N1、N2、N3、N4和N5的累积产甲烷量比RN1、RN2、RN3、RN4和RN5分别减少了26.9%、39.8%、27.7%、46.3%和80%。为了进一步确认氨氮和洛克沙胂是否产生了联合抑制效应，进行了抑制曲线分析。
2.3 抑制曲线分析
各实验组中产甲烷过程的抑制程度可根据对照组的累积甲烷产量与相应实验组的累积甲烷产量，由公式（1）计算得到
（1）
式中 I为抑制程度，%；
V0与Vt分别为控制组和实验组中累积的甲烷产量，mL。
将抑制水平与所投加氨氮、洛克沙胂的浓度作图拟合，分别可得不同的氨氮浓度下对产甲烷过程的抑制曲线，获得图3。氨氮的浓度在0-1000 mg/L的范围内时，其对产甲烷菌活性的抑制程度上升较慢，抑制程度并不显著，在这个浓度范围内属于轻度抑制；氨氮浓度在1000-3000 mg/L的范围内，其对产甲烷菌活性的抑制程度从10.9%增加到77.8%。在氨氮-洛克沙胂联合抑制实验中，氨氮浓度为500、1000、2000、3000和4000 mg/L的实验组相对于洛克沙胂浓度为25 mg/L的对照组来说，产甲烷过程分别受到了17.4%、37.3%、58.9%、82.3%和94.3%的抑制。对比氨氮单独抑制和氨氮-洛克沙胂联合抑制下的抑制曲线可知，在相同的氨氮浓度下，氨氮-洛克沙胂联合抑制中各组对产甲烷菌的抑制程度均比氨氮单独抑制中的各实验组高，两者相差明显，说明在氨氮和洛克沙胂的两者的共同作用下，对产甲烷菌起到了联合抑制的效果。
3 结论
在厌氧消化中，高浓度的氨氮对产甲烷菌的活性具有较高的抑制作用。而且，当氨氮与洛克沙胂同时存在时，二者对产甲烷活性起到联合抑制作用。在25 mg/L洛克沙胂和4000 mg/L氨氮的共同作用下，产甲烷活性抑制高达97.68%。
参考文献：
[1] Nielsen H B·Angelidaki I. Strategies for optimizingrecovery of the biogas process following ammonia inhibition [J]. Bioresource Technology，2008，99（17）：7995-8001
[2] Appels L，Baeyens J，Degreve J. Dewil R Principles andpotential of the anaerobic digestion of waste-activated sludge [J]. Progress Energy and Combustion Science，2008，34（6）：755-781
[3] El Hadj T B，A8tals S，Gall A，Mace S，Mata-AlvarezJ. Ammonia influence in anaerobic digestion of OFMSW [J]. Water Science and Technology，2009，59（6）：1153-1158
[4] Hu ZH，Yu HQ，Zhu RF. Influence of particle size and pH on anaerobic degradation of cellulose by ruminal microbes [J]. Int Biodeterior Biodegrad，2005，55（3）：233-238.
[5] 国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会. 水和废水监测分析方法 [M]. 2005，中国环境科学出版社
[6] Lay J J，Li Y Y，Noike T，et al. Analysis of environmental2factorsaffecting methane p roduction from highsolids organic waste [J].Water Science and Technology，1997. 36（627）：493-500
基金项目：
安徽省科技攻关计划项目（1501041130）。
作者简介：
赵培红，女，安徽省六安市排水有限公司，主要研究污水和污泥处置；
余硕果，男，安徽省六安市排水有限公司，主要研究污水和污泥处置；
余存和，男，安徽省六安市排水有限公司，主要研究污水和污泥处置；
王钦砼，男，硕士生，合肥工业大学，主要研究污水和污泥处置。