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厌氧发酵是一种广泛应用于有机废物处理,同时产生甲烷沼气的生物工艺。然而,将有机物厌氧转化为甲烷的功能性微生物易受多种抑制物质或因素的影响,从而导致甲烷产量下降,甚至工艺失败。越来越多的研究表明,高浓度氨氮引起的氨抑制往往是导致系统不稳定的主要问题之一,尤其在厌氧处理高含氮物质时,氨抑制问题及其恢复策略亟待解决。针对以上问题,本研究主要包括以下几个部分:1.以鸡粪这一典型的富氮原料为研究对象,研究了其与羊粪共发酵的氨抑制调控策略。研究表明,通过人工调控羊粪与鸡粪的VS比例(Rs/c)的共发酵可以从源头控制氨抑制问题。通过动力学方程拟合确定Rsc为0.4时,产甲烷量最高可达219.67 mLCH4/gVSadd,最大产甲烷速率可显著提升至0.378 mL CH4/gVSadd/h。基于三维荧光(EEM)分析的溶解性有机物(DOM)的迁移转化与产甲烷过程密切相关且Rs/c为0.4时,产甲烷阶段和腐殖化阶段中DOM的变化最为显著。基于16S rRNA的微生物群落分析表明鸡粪与羊粪的共发酵中,乙酸化菌和乙酸营养型产甲烷菌(92.07%)的积极协同作用利于甲烷发酵的进行。2.研究了生物炭调控的轻度和重度氨抑制下的鸡粪厌氧发酵恢复策略。(a)基于批次实验的轻度氨抑制研究表明,适当生物炭的添加在发酵前期对于氨氮有缓释作用,同时通过参与有机质的有效转化以提高发酵性能,基于动力学和有机质转化的相关分析表明,生物炭添加量为0.3 g/L时,水解、酸化、乙酸化、产甲烷化效率和性能实现最优化;而大量生物炭的添加(30g/L)可在发酵前期导致氨氮快速释放并通过大量吸附易降解有机物以降低发酵性能(降低率25-48%)。微生物群落分析表明,生物炭的添加利于产电微生物的富集,其与产甲烷菌的互作机制利于提高轻度氨抑制下的系统稳定性。(b)基于连续搅拌发酵罐(CSTR)实验的重度氨抑制研究表明,鸡粪与生物炭的持续进料可提高微生物的耐氨性能,研究表明即使氨氮浓度高达9800 mg/L,反应体系仍能实现稳定、高效运行。3.以淀粉为单一碳源,不同碳酸氢铵浓度为变量,采用动力学模拟、酶活性测定、荧光光谱法、分子模拟、高通量测序以及宏基因组学等方法研究了氨抑制下的淀粉产甲烷机理。(a)基于批次实验的研究结果表明,当进料氨氮浓度为5500 mg/L时,最大产甲烷速率的降低率高达51.51%,迟滞期可延长5倍;水解和酸化阶段的淀粉酶和ATP酶活性严重受损,产甲烷阶段的辅酶F420和NADH活性却显著增强;胞外聚合物(EPS)中蛋白含量增大了 77.1%;互营氧化菌丰度大量降低使得乙酸化进程受阻(效率降低了 50%),而耐氨菌Marinilabiliaceae的大量富集可能是该系统能维持低效运行且不至于直接崩溃的原因之一。(b)基于升流式厌氧污泥床(UASB)反应器的运行结果表明,氨氮浓度为3800mg/L时,即导致反应器运行崩溃。宏基因组学相关分析表明,氨抑制下编码产甲烷途径关键酶(乙酸激酶、磷酸乙酰转移酶、乙酸辅酶A连接酶)的基因丰度得到不同程度的降低,而编码ATP酶(F型和V/A型)的基因丰度则明显增强(1.0-1.3倍)。(c)分子模拟结果显示,氨氮与淀粉酶以氢键结合,对其中的精氨酸和谷氨酸影响最大,氢键的弱结合力可为氨抑制的可恢复性提供一定理论基础。