1.1.3 易降解生物质废物厌氧消化中的酸和氨抑制问题

目前，出于投资、工艺复杂性等方面的考虑，欧洲国家的生物质废物厌氧消化工程多采用单级高固体工艺[9，15]。从微生物学角度看，当原料为易降解高含固率的生物质废物（如食品废物、污水厂污泥、禽畜粪便等）时，有机酸和氨等抑制物很容易在单级高固体厌氧消化反应器内快速积累，发生酸和氨抑制现象[7，8，11，13，16]。而现有的工艺中缺乏或难以快速产生耐酸胁迫和氨胁迫的高效微生物菌群，因而造成消化过程不稳定、甲烷产率低等问题，甚至导致系统启动和运行失败[7，8，17，18]。

目前，针对甲烷化抑制问题可采取的主要工艺调控手段有两种：①在原料中添加水分或难水解物料[19]，以稀释抑制物；②预先接种富含产乙酸化-产甲烷菌群的物料[20]，以提高反应器初始的产乙酸化-产甲烷化代谢能力，降低中间代谢产物的积累水平。两者均可通过原料与消化产物的混合得以实现。但是，稀释方法降低了反应器的容积利用率，会增加运行费用和处理成本[13，14]，而且改变原料组成还可能影响工艺的处理效果。而通过消化产物回流的方式实现接种产甲烷菌群的方法，则存在与前者相同的问题。近年来，也有研究者试图通过接种耐酸毒性和耐氨毒性的菌种以避免出现甲烷化抑制现象[18，21，22]，但大多效果并不显著，且仅限于实验室规模研究。由于厌氧消化系统内微生物过程机理的不明确，目前所发展的调控策略多出于经验，使得技术优化缺乏机理依据和针对性，由此导致的一系列问题阻碍了厌氧消化工艺的广泛应用。

我国收集状态的BMSW含固率高（TS＞10%），大部分为厨余、果皮等易水解成分，其作为厌氧消化的原料是典型的易水解颗粒态有机物[5，11]。此类原料进入厌氧消化系统后会快速水解酸化，导致挥发性有机酸（Volatile Fatty Acids，VFAs）大量累积，pH迅速下降，具有酸毒性的游离态有机酸的比例增加，甲烷化的酸抑制问题显得尤为突出[5，12-14]。另外，在高浓度有机废水厌氧消化处理工艺中，有机负荷冲击和超负荷运行也会导致甲烷化酸抑制现象的出现[7，23]。(https://www.daowen.com)

氨抑制则是伴随着高蛋白质含量生物质废物，如餐厨垃圾、污水厂污泥、畜禽粪便、食品工业废物等的发酵过程产生[17，24-28]。大量蛋白质水解生成氨基酸和多肽，进而酸化生成VFAs和氨。高浓度氨可抑制厌氧微生物的活性，而其中产甲烷菌对氨最为敏感。氨毒性普遍被认为由游离态氨分子（Free Ammonia，FA）引起，而游离氨浓度会随着pH的升高而增加。氨对产甲烷菌的抑制使得代谢产物进一步积累，系统的pH也会随之改变。pH的变化又会影响游离氨和游离有机酸的浓度，加之pH本身对微生物活力的影响，厌氧微生物所受的胁迫随着有机酸、氨和pH之间的相互作用而改变，最终进入稳定但甲烷产率极低的“抑制假稳定态”[24，29]，或者因使得厌氧消化全过程受阻而反应完全终止。

因此，针对易降解生物质废物的组分特点，解决厌氧发酵过程产生的酸抑制和氨抑制问题，提高消化过程的工艺稳定性，降低运行管理难度和费用是当前亟待解决的关键技术问题。深入了解厌氧消化过程中产甲烷微生态对胁迫的响应机制，即可望从机理层面上发展厌氧消化工艺的优化方法。