猪场粪污厌氧消化氨抑制形成机理及模型预测研究

猪场废水厌氧消化处理过程中，高浓度氨氮引发的氨抑制是影响消化工艺稳定、高效运行的主要原因之一，氨抑制成为畜禽粪污厌氧处理的重要研究内容。本项目以我国规模化养猪场粪污厌氧消化处理过程中的氨抑制为研究对象，通过系统的检测分析方法，研究猪粪厌氧消化过程中总氨氮（TAN）、VFA和pH协同作用下氨抑制水平及程度；探索氨抑制状态下微生物种群演替规律及甲烷产生途径，分析氨抑制机理；在深入研究猪场粪污厌氧消化中各类生化和物化反应过程，特别是影响氨抑制的有机酸类物质降解反应速率的基础上，改进厌氧消化模型ADM1，并对猪场粪污厌氧消化处理进行氨抑制模拟预测。通过对氨抑制影响因素与抑制机理研究以及消化工艺运行过程中氨抑制的模拟与预测，有利于从动力学角度深入了解厌氧生物处理过程，从而为制定减轻或避免猪场粪污厌氧消化氨抑制措施、实现厌氧工艺稳定、高效运行提供理论依据和技术支持。

以畜禽粪污为代表性的农业养殖废弃物引起的环境污染已经逐渐成为人们关注的热点，在此类废弃物的处理中，厌氧消化是国内应用最广泛的方法，然而在此类高含氮废弃物厌氧消化过程中氨抑制问题是影响其稳定高效运行的主要原因之一。本项目以我国规模化养猪场粪污厌氧消化处理过程中的氨抑制为研究对象，重点研究影响厌氧消化氨抑制关键因素如氨氮、Ph和温度及VFA累计等协同作用对厌氧消化效果的影响，同时以微生物结构组成和功能为切入点，分析猪场粪污厌氧消化氨抑制发生过程对甲烷微生物区系变化和甲烷生成途径影响，明确氨抑制的影响机理；在此基础上通过改进的ADM1模型对实验室规模和实际厌氧消化工程进行模型模拟预测。. 在猪场粪污厌氧消化过程中，氨抑制的发生与消化底物浓度没有明显的相关性，而pH、温度通过改变氨氮的不同存在形态对消化效果产生显著影响。在pH适合的情况下，氨氮浓度达到4100mg/L以上，厌氧消化效率受到显著抑制，如果pH维持在7.5以上，即使氨氮浓度在2500-3000mg/L水平时，对产甲烷菌活性的抑制率将在50%以上。而VFA对氨抑制的影响则主要表现在抑制发生后的累积作用。. 猪场粪污厌氧消化氨抑制发生的内在原因是产甲烷微生物群落结构的变化。Methanosaeta和Methanosarcina是猪场粪污厌氧消化体系的优势产甲烷菌，Methanosaeta属于乙酸营养型甲烷菌而Methanosarcina则兼具氢营养和乙酸营养型功能，随着氨氮浓度的增加Methanosaeta相对丰度呈下降趋势，而methanococcus则表现出降低的趋势.结合甲烷产生情况，其甲烷产生途径则由乙酸氧化向H2氧化途径转变。但具体微生物作用机制尚待行深入研究。.采用ADM1模型对实验室结果进行模拟预测，结果显示，在不同的氨氮浓度及氨抑制状态下，ADM1模型对甲烷累积产量和甲烷百分比含量和甲烷含量等均有较好的模拟预测效果，但对工艺条件波动较大的实际工程模拟结果尚不理想。. 该项目的实施，有助于深入理解猪场粪污厌氧消化氨抑制产生及影响，从而为制定减轻或避免猪场粪污厌氧消化氨抑制措施、实现厌氧工艺稳定、高效运行提供理论依据和技术支持。