高氨胁迫下厌氧消化的阈值与恢复机制：COD/NH4 + 比值与CO2 富集的关键作用

为解决高氨氮抑制导致的厌氧消化(AD)性能下降问题，研究人员通过调控COD/NH4 + 比值和CO2 富集策略，揭示了AD系统的临界阈值（COD/NH4 + =11-17）与最优区间（24-33），并证实CO2 富集可使甲烷产量在10 gNH4+-N /L的高氨条件下恢复87%-100%，为高氮有机废物的高效处理提供了创新方案。

　　

随着城市化进程加速，有机固体废弃物产量激增，厌氧消化(AD)技术因其能源回收和环境友好特性成为处理主流。然而，富含蛋白质的底物（如食品废弃物、畜禽粪便）在AD过程中会释放高浓度氨氮(NH₄
⁺
/NH₃
)，当总氨氮(TAN)超过3.5-8.5 g_NH4+-N
/L时，会引发典型的"抑制稳态"现象——乙酸裂解型产甲烷途径受抑，而氢营养型途径保持活性，导致甲烷产量骤降。这一瓶颈严重制约了高氮有机废物的资源化效率。

针对这一挑战，来自德国加兴市政污水处理厂合作团队的研究人员，在《Bioresource Technology》发表了一项突破性研究。通过系统分析化学需氧量与氨氮比值(COD/NH_{4
+)的动态影响，并结合稳定氢同位素(δ²
H-CH4
)示踪技术，首次揭示了CO2
富集对高氨胁迫下AD系统的恢复机制。研究采用微晶纤维素(MCC)和颗粒狗粮(PDF)作为模式底物，通过响应面法(RSM)建立氨浓度与有机负荷的定量关系，并利用气相色谱-同位素比值质谱(GC-IRMS)解析产甲烷途径转变。}

关键实验方法
研究采用生化甲烷潜力(BMP)测试评估不同COD/NH₄
⁺
比值下的甲烷产量，通过中央复合设计(CCD)建立数学模型。实验设置三组处理：常规AD、氨抑制AD、CO₂
富集AD，使用来自德国加兴污水处理厂的接种污泥。通过δ²
H-CH₄
同位素分析区分产甲烷途径，并采用连续批次实验验证CO₂
富集的长期效果。

3.1 RSM模型结果
数学模型显示氨浓度与有机负荷对甲烷产量(SMY)具有显著影响(p<0.05)。MCC在5.9 g_NH4+-N
/L时仍保持340 mL_CH4
/g_VS
的临界产量，而PDF在3.6 g_NH4+-N
/L即出现抑制，证实碳氮平衡的关键作用。

3.2.1 BMP测试结果
当COD/NH₄
⁺
比值降至11时，δ²
H-CH₄
值骤增96-177 mUr，表明乙酸裂解型途径被显著抑制。此时MCC的甲烷产量仍达理论值的82%，而PDF系统已崩溃。

3.3.1 CO₂
富集AD的BMP结果
CO₂
注入使系统在COD/NH₄
⁺
=7时实现87%产量恢复，同位素分析显示氢营养型菌群占比提升至11%（对照组仅4.5%）。连续10轮富集后，即使氨浓度达10 g_NH4+-N
/L，系统仍维持298 mL_CH4
/g_VS
的稳定产出。

3.4 展望
相比传统氨吹脱技术的高能耗，CO₂
富集可直接利用沼气提纯过程中的副产品，实现碳氮协同调控。该策略为畜禽粪便、食品工业废水等高氮有机废物的处理提供了经济可行的解决方案。

这项研究不仅明确了AD系统耐受高氨胁迫的临界阈值，更开创性地提出CO₂
循环利用的新范式。通过将"废物"CO₂
转化为过程调控剂，既缓解了氨抑制，又提升了甲烷产量，实现了真正的循环经济。未来研究可进一步探索沼气CO₂
直接回用的工程化应用，推动AD技术在有机固废处理领域的革新。