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有机垃圾两相厌氧消化中氮素转化特性的试验研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球城市化进程加速和人们生活水平不断提升的大背景下，有机垃圾的产生量呈现出迅猛增长的态势。据相关数据统计，预计到2025年，我国有机固废年产总量将超过40亿吨。有机垃圾来源广泛，涵盖了餐厨垃圾、厨余垃圾、城市污泥、果蔬垃圾、畜禽粪便等多个方面，具有易腐败、高含水的特性，兼具污染与资源的双重属性。对有机垃圾进行合理处理与资源化利用，不仅是实现“2030年碳达峰，2060年碳中和”目标的关键举措，也是推动绿色低碳循环发展的重要环节。

在众多有机垃圾处理技术中，两相厌氧消化技术凭借其高效的有机物降解能力和能源转化效率，逐渐成为有机废弃物处理领域的重要发展方向。该技术将厌氧消化过程分为水解酸化相（产酸相）与产甲烷相，使产酸菌和产甲烷菌各自在最佳环境条件下生长，不仅有利于充分发挥其各自的活性，而且提高了处理效果，达到了提高容积负荷率、减少反应器容积、增加运行稳定性的目的。

然而，在有机垃圾厌氧消化体系中，消化液回用作为减少出水处理的重要途径，却引发了氨氮在系统内不断累积的问题。氨氮浓度的升高会对产甲烷菌的活性产生负面影响，严重时甚至导致厌氧消化工艺的失败。例如，当氨氮浓度达到2000mg/L以上时，将会明显抑制产甲烷菌的产气效率；氨氮浓度达到5500mg/L时，甲烷产量削减50%。这不仅降低了系统的能源转化效率，还可能导致处理成本的增加和环境风险的加大。

氮素作为有机垃圾中的关键营养元素，其在厌氧消化过程中的转化过程极为复杂，涉及到多种微生物的参与和一系列生物化学反应。在稻田土壤氮素厌氧转化的相关研究中发现，微生物介导的氨化、反硝化及厌氧氨氧化过程是氮素循环的核心环节。在有机垃圾两相厌氧消化系统中，由于产酸相和产甲烷相的环境条件（如pH值、氧化还原电位、微生物群落结构等）存在差异，氮素的转化特性也可能有所不同。深入探究有机垃圾两相厌氧消化中氮素的转化特性，对于揭示氨氮累积的机制、优化厌氧消化工艺参数以及预防氨抑制现象的发生具有重要的理论和实际意义。它可以为有机垃圾的高效处理和资源化利用提供科学依据，促进有机废弃物处理行业的可持续发展。

1.2研究目的与内容

本研究旨在针对消化液回用所引发的氨氮累积难题，以城镇有机垃圾为研究对象，深入解析水解酸化相（产酸相）与产甲烷相的氮素迁移转化规律，明确影响氮素转化的关键因素，从而为优化两相厌氧消化工艺参数、预防氨抑制现象提供坚实的理论依据和有效的技术支持。

具体研究内容包括以下几个方面：首先，开展消化液回用对有机垃圾两相厌氧消化影响的试验，通过监测系统中各项指标的变化，全面评估消化液回用对厌氧消化过程的影响，包括对氨氮浓度、碱度、pH值、COD去除率、沼气产量及甲烷含量等指标的影响。其次，分别深入研究消化液完全回用时有机垃圾中氮素在水解酸化相和产甲烷相的水解浸出、转化和存在形态。分析有机氮转化为氨氮的效率变化规律，以及氨氮在不同阶段的氧化、去除等过程，探讨厌氧氨氧化等反应在氮素转化中的作用。最后，建立消化液回用的有机垃圾两相厌氧处理氨氮累积模型，通过数学模型的构建和分析，找出消化液回用中氨氮累积的关键控制参数——回流比，为实际工程应用中有效预防氨抑制提供科学的分析工具和决策依据。

二、材料与方法

2.1试验系统构建与运行参数

2.1.1序批式水解-UASB两相反应器装置

本试验构建了一套串联式的序批式水解-UASB两相反应器装置，旨在为有机垃圾的厌氧消化提供一个高效稳定的反应环境。水解酸化相采用序批式反应器（SBR），其有效容积设定为5L，这一容积的选择既能满足一定量有机垃圾的处理需求，又便于在实验室条件下进行精确的参数控制和监测。反应器配备了搅拌装置，通过机械搅拌的方式，使反应器内的物料能够充分混合，促进水解酸化反应的均匀进行。同时，为了维持水解酸化反应的最佳温度条件，还安装了温控系统，将反应温度严格控制在（35±1）℃。这是因为在这个温度范围内，水解酸化菌的活性能够得到充分发挥，从而提高有机垃圾的水解酸化效率。

产甲烷相则选用升流式厌氧污泥床（UASB），其有效容积为10L，较大的容积有助于容纳更多的微生物和底物，为产甲烷反应提供充足的空间。在启动阶段，向UASB反应器中接种颗粒污泥，这些颗粒污泥富含大量的产甲烷菌，是产甲烷反应的关键微生物群落。在运行过程中，将温度同样控制在（35±1）℃，以满足产甲烷菌的生长和代谢需求。同时，通过控制回流比在0.5-1.0之间，实现了对反应器内水力条件和微生物浓度的有效调节。适当的回流比可以使反应器内的底物和微生物充分接触，提高反应效率，同时还能起到稀释有毒有害物质、维持反应器内环境稳定的作用。

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