氨氮对污泥厌氧消化体系中硫生物转化的影响机制研究

High-solid anaerobic digestion process, as an emerging technology, gains a lot of interests among researchers and engineers. With the increase of solid content, the substrate concentration and the inhibitory factors （such as ammonia nitrogen) in the system dramatically change, which result in the decrease of H2S content in biogas. However, the mechanism of the changes still remains unclear. In this study, we plan to analyze the characteristics of pH, VFA, alkalinity, and OPR etcs. caused by the different solid content in anaerobic digestion of sewage sludge, and to further clarify the impacts of high-solid content on chemical balance of materials in different phases, especially the concentration and balance of ammonium/free ammonia. In addition, we are going to conduct experiments on anaerobic digestion with both simulated sludge and actual sewage sludge to figure out the effects of highly concentrated ammonia to the conversion and distribution of organic sulfur from solid phase to liquid phase, and subsequently gas phase. Finally, from the points of material conversion and interspecies influence, the dynamics and influential mechanisms of the functional microbial population will be worked out, as well as the characterizations of organic sulfur conversion, which will lay the foundation of optimizing the operational conditions for high-solid anaerobic digestion of sewage sludge.

高含固污泥厌氧消化工艺受到越来越多的关注，由于含固率提高，厌氧消化体系内基质浓度与抑制性因素均发生显著变化。课题组前期研究发现随着体系内氨氮浓度的上升，沼气中H2S含量显著降低且CH4含量未受影响，其作用机制值得开展研究。课题通过解析不同含固率污泥厌氧消化体系的pH、VFA、碱度、ORP等工艺条件，明确含固率对体系中多相化学平衡、尤其是铵/游离氨浓度及平衡状态的影响。通过模拟试验与实际污泥厌氧消化试验研究，探明由于提高污泥含固率导致的高氨氮环境，对污泥厌氧消化体系中有机硫由固相水解为液相、进一步分解为挥发态硫的相变过程中硫元素赋存状态变化的影响规律，从物质转化与生物种群交互影响的角度，阐明氨氮对有机硫生物转化物质流特征与功能菌群的影响机制与动力学，为优化高含固污泥厌氧消化工艺提供依据。

近年来，利用高级厌氧消化技术对城市污泥进行处理已成为国内外研究的热点。然而在污泥高级厌氧消化过程中，产生的挥发性含硫化合物不仅影响沼气的利用、设备的寿命，而且还可能对人体健康产生危害。为明确污泥中挥发性含硫化合物的转化机制，本课题对基于高含固+热水解的高级厌氧消化系统中挥发性含硫化合物的转化机制进行研究。.研究发现，高含固厌氧消化体系具有高基质浓度、高氨氮、高pH值等特点。高含固效应可通过降低硫酸根的转化率、提高系统pH值、提高系统氨氮浓度、提供充足酸溶态金属、降低APS还原酶及亚硫酸盐还原酶活性、提高裂解酶活性使沼气中硫化氢浓度降低，而挥发性有机硫浓度升高。在厌氧消化前，10%含固率、1.7%含固率污泥有机硫源含量占硫源(硫源=半胱氨酸硫+蛋氨酸硫+硫酸根硫，下同)的比例分别为96%、78%，沼气中挥发性含硫化合物主要来自含硫氨基酸。研究表明，高含固引起的高氨氮浓度对硫源的最终转化量无显著影响，但可降低其转化速率。.结合热水解后硫源的变化，发现热水解效应可直接促进有机硫转化为挥发性含硫化合物。在厌氧消化前，10%高含固热水解污泥中有机硫源占比为90%，硫的代谢仍以有机硫为主。热水解效应可通过提高有机硫转化率、降低系统初期pH值、提高系统氨氮浓度、降低酸溶态金属含量、提高裂解酶活性对沼气中挥发性含硫化合物浓度的变化产生上述影响。其中，热水解引起的污泥初始pH值降低的情况将被接种泥缓冲，因此热水解污泥初始pH值较低对硫转化不产生显著影响。.污泥高级厌氧消化系统中有机硫代谢与硫酸盐还原并存，且以有机硫代谢为主。有机硫代谢的阶段可归纳为以水解发酵菌或热水解预处理起主要作用的水解阶段和以产甲烷菌起主要作用的耗挥发性有机硫阶段，其中水解阶段即可导致挥发性含硫化合物的生成。污泥有机硫转化的重要机制是含硫蛋白质的水解，而热水解效应对含硫氨基酸转化为挥发性含硫化合物有直接促进作用。沼气中挥发性含硫化合物的浓度既取决于硫转化生成路径，也受pH值、金属等释放条件的影响。