¿Avance de la investigación sobre la supresión de amoníaco en el proceso de digestión anaeróbica?
Con la continua profundización de la investigación teórica sobre la digestión anaeróbica, la investigación, el desarrollo y la aplicación de los procesos de digestión anaeróbica han logrado un rápido desarrollo. Sin embargo, la baja eficiencia del tratamiento y la mala estabilidad operativa son problemas comunes en la digestión anaeróbica. Una de las razones principales es la inhibición del amoníaco causada por la acumulación de amoníaco. El artículo describe brevemente el mecanismo de inhibición del amoníaco durante la digestión anaeróbica y los principales factores que influyen en la inhibición del amoníaco, presenta el estado actual de la investigación de los cambios microbianos durante la inhibición del amoníaco, resume métodos para eliminar y aliviar la inhibición del amoníaco y propone direcciones de investigación clave para la digestión anaeróbica. inhibición del amoníaco.
Como tecnología de tratamiento biológico sostenible que puede obtener energía, la digestión anaeróbica se ha utilizado ampliamente en la ingeniería práctica. En el proceso de digestión anaeróbica, la supresión de amoníaco se considera un factor importante que afecta su rendimiento general. Aunque el nitrógeno es un elemento esencial para el metabolismo microbiano en los sistemas de digestión anaeróbica, el exceso de nitrógeno amoniacal en los sistemas de digestión anaeróbica a menudo inhibe las actividades vitales normales de los microorganismos, especialmente los metanógenos.
Se centra en las últimas investigaciones sobre mecanismos de inhibición del amoníaco en la digestión anaeróbica en el país y en el extranjero, y detalla sus principales factores que influyen y las medidas de eliminación, incluida la domesticación microbiana, el ajuste del valor del pH, el control de la temperatura y la relación C/N. ajuste, etc., para proporcionar cierta referencia y referencia para futuras investigaciones sobre la aplicación de ingeniería de la tecnología de digestión anaeróbica.
Como tecnología de tratamiento biológico sostenible que puede obtener energía, la digestión anaeróbica puede generar energía de biomasa (principalmente metano CH 4 con un contenido de 60 a 70) durante el proceso de digestión. Es una energía verde muy prometedora. puede mitigar el cambio climático.
La digestión anaeróbica tiene las características de degradar de manera estable los contaminantes orgánicos y generar energía renovable durante el proceso de digestión. Ha sido ampliamente utilizada en la protección del medio ambiente y la utilización de recursos. Durante el proceso de digestión anaeróbica, las sustancias que contienen nitrógeno en los materiales de fermentación, como proteínas, urea y ácidos nucleicos, finalmente se convierten en nitrógeno amoniacal (incluido el amoniaco libre NH3 y NH4) bajo la acción de microorganismos.
Aunque el nitrógeno amoniacal es un nutriente necesario para los microorganismos anaeróbicos en el proceso de digestión anaeróbica, y una cierta concentración de nitrógeno amoniacal puede proporcionar un buen efecto amortiguador para el proceso de digestión, una concentración demasiado alta de nitrógeno amoniacal en el sistema inhibe la función de los microorganismos, que se considera el factor principal que conduce al colapso del sistema de reacción de digestión anaeróbica. En los últimos años, se han llevado a cabo una gran cantidad de estudios en el país y en el extranjero sobre la supresión de amoníaco durante la digestión anaeróbica. Este artículo se centra en resumir el mecanismo de formación, los factores que influyen y las contramedidas de la supresión de amoníaco durante la digestión anaeróbica, con el fin de brindar ciertas garantías. para el funcionamiento estable del sistema de reacción de digestión anaeróbica.
1 Investigación sobre el mecanismo de inhibición del amoníaco en la digestión anaeróbica
Existen muchos estudios sobre el mecanismo de formación de la inhibición del amoníaco durante la digestión anaeróbica, pero estos estudios no son lo suficientemente completos y hay ningún entendimiento unificado.
El proceso de digestión anaeróbica suele incluir cinco pasos: disolución del material, hidrólisis, acidificación, acetificación y metanogénesis. Por lo tanto, el funcionamiento estable del sistema de digestión anaeróbica depende principalmente de las bacterias de fermentación hidrolítica, las bacterias acidogénicas y la metanogénesis. efecto sinérgico de bacterias y otros microorganismos bajo actividades fisiológicas normales, entre los cuales los metanógenos tienen la peor tolerancia a la concentración de amoníaco en el sistema.
La supresión de amoníaco generalmente se manifiesta como una disminución en la producción de biogás y la acumulación de ácidos grasos volátiles AGV en un sistema de digestión anaeróbica que funciona de manera estable. Muchos investigadores han planteado conjeturas sobre el mecanismo de formación de inhibición del amoníaco, tales como: cambios en el pH intracelular de los metanógenos, un aumento de la energía necesaria para mantener la actividad normal de la vida celular y la inhibición de reacciones enzimáticas específicas.
En soluciones acuosas de digestión anaeróbica, los iones NH 4 y el amoniaco libre (NH3) son las dos principales formas de amoniaco presentes. Se considera que el amoníaco libre es el principal factor que causa la inhibición del sistema debido a su buena permeabilidad.
Algunos estudiosos han especulado a través de experimentos con cultivos de cepas puras que el impacto de la inhibición del amoníaco sobre los metanógenos en el sistema se refleja principalmente en los dos aspectos siguientes:
1) Los iones NH 4 pueden directamente inhibir 2) Las moléculas de amoníaco libres hidrofóbicas pueden ingresar a las células bacterianas a través de difusión pasiva, causando un desequilibrio de protones o una deficiencia de potasio intracelular.
El amoniaco libre NH3 ingresa a las células microbianas a través de difusión pasiva, se combina con el protón H extracelular y se convierte en NH4, provocando así cambios en el pH intracelular.
Para mantener el equilibrio de protones intracelulares, las células consumen energía para el transporte activo a través de bombas de potasio en la membrana celular, moviendo los iones de potasio intracelulares fuera de la célula para mantener el pH intracelular, aumentando así la demanda de energía de mantenimiento celular. Y restringir algunas reacciones enzimáticas específicas.
Hay muchos estudios sobre el umbral de inhibición del amoníaco (ver Tabla 1). Hejnfelt y Angelidaki encontraron que el amoníaco puede ocurrir en el sistema de digestión anaeróbica cuando la concentración total de nitrógeno amoniacal es de 1 500 a 7 000 mg/L. fenómeno de inhibición. La diferencia en los umbrales de inhibición de amoníaco de diferentes sistemas de digestión anaeróbica se ve afectada principalmente por las características de la matriz de digestión y los materiales del inóculo, la temperatura de digestión, el pH en el sistema y el tiempo de aclimatación.
Tabla 1 Umbrales de inhibición del amoníaco en diferentes sistemas de digestión anaeróbica
Actualmente, la investigación sobre el mecanismo de inhibición del amoníaco en el proceso de digestión anaeróbica se centra principalmente en la estructura poblacional y la diversidad de metanógenos en el sistema. Cambios en las propiedades al aumentar la concentración de amoníaco. Algunos estudiosos han demostrado que durante el proceso de digestión anaeróbica, los metanógenos hidrogenotróficos tienen una mayor tolerancia a la concentración de amoníaco en el sistema que los metanógenos de tipo ácido acético.
Gao et al. diseñaron una prueba de reactor de digestión anaeróbica de residuos de alimentos y descubrieron que a medida que la concentración de amoníaco en el sistema seguía aumentando, la actividad relativa de la coenzima F 420 (CoF 420) en el reactor en el final etapa de la prueba es 2, 4 veces mayor que la de la etapa inicial, y la tasa de aumento alcanza 114.
Debido a que el efecto bioquímico del CoF 420 es un portador de transferencia de electrones de bajo potencial, reduce específicamente el bicarbonato a hidrógeno, que luego es utilizado por metanógenos hidrogenotróficos para sintetizar metano, demostrando así que como reactor como el amoníaco. La concentración aumenta, los metanógenos hidrogenotróficos dominan gradualmente, lo que promueve la actividad de CoF 420 específico.
Niu et al. utilizaron la tecnología de biología molecular 16S rRNA para estudiar los cambios en la comunidad de metanógenos con diferentes concentraciones de nitrógeno amoniacal en el sistema durante la digestión anaeróbica a alta temperatura de estiércol de pollo con nitrógeno amoniacal.
Los resultados muestran que el Methanothermobacter hidrogenotrófico se ha desarrollado desde 9,3 en la etapa inicial hasta 95 en la etapa de inhibición de amoníaco, lo que supera ampliamente a la Methanosarcina acetotrófica, desempeñando un papel dominante en el proceso de metanogénesis del nitrógeno con alto contenido de amoníaco. sistemas. El estudio de Demirel y Scherer también llegó a la misma conclusión.
2 Factores que influyen y medidas de eliminación de la supresión de amoníaco en la digestión anaeróbica
La supresión de amoníaco a menudo tiene un impacto grave en el sistema de digestión anaeróbica e incluso conduce eventualmente al colapso del sistema. Por lo tanto, muchos estudios han investigado los factores que influyen en la inhibición del amoníaco y las medidas para retrasarla o eliminarla. Incluye principalmente domesticación microbiana, ajuste del valor del pH, control de temperatura, ajuste de la relación C/N, etc.
2.1 Domesticación microbiana
La alta concentración de nitrógeno amoniacal en el sistema puede inhibir directamente la actividad microbiana, que a menudo es la razón principal del fallo de los reactores de digestión anaeróbica. Los estudios han demostrado que los reactores de digestión anaeróbica que tratan aguas residuales con bajas concentraciones de nitrógeno amoniacal a menudo tienen una mejor adaptabilidad a altas concentraciones de nitrógeno amoniacal en el sistema.
Al aumentar gradualmente el nivel de nitrógeno amoniacal en el sistema y domesticar los microorganismos en el sistema de digestión anaeróbica, se puede mejorar la tolerancia de la población microbiana metanogénica al nitrógeno amoniacal, lo cual es una forma eficaz y económica.
Abouelenien et al. finalmente lograron una producción de gas de 31 ml/g (VS) bajo una alta concentración de nitrógeno amoniacal aclimatando los microorganismos en el sistema durante 254 días. Los resultados de la investigación de Sung y Liu mostraron que, aunque la actividad general de los metanógenos en el sistema disminuyó bajo una aclimatación alta al nitrógeno amoniacal, su tolerancia al nitrógeno amoniacal y a los cambios de pH mejoró.
Gao et al. controlaron gradualmente la tolerancia al amoníaco in situ y finalmente se dieron cuenta de que el reactor de digestión anaeróbica aún puede funcionar de forma normal y eficaz cuando el nitrógeno amoniacal total en el sistema alcanza los 4 275 mg/l.
Aunque muchos estudios han confirmado que la domesticación puede mejorar la adaptabilidad de los microorganismos en el sistema a diferentes concentraciones de nitrógeno amoniacal, pero si esto se debe a la transformación de las vías metabólicas de los microorganismos existentes en el sistema, o La domesticación de microorganismos que puedan adaptarse a la nueva población microbiana con alta concentración de nitrógeno amoniacal no ha alcanzado una conciencia absoluta.
El estudio de Gao et al. demostró que dentro del rango de concentración total de nitrógeno amoniacal en el sistema de digestión anaeróbica de 2 341 mg/L (etapa 1) a 4 293 mg/L (etapa 5) , Fase de metanógenos (Methanobacteriaceae)
La abundancia aumentó de 36,16 en la etapa 1 a 69,73 en la etapa 5, con una tasa de crecimiento de 92,84. Las abundancias relativas de Methanosaetaceae y Methanosarcinaceae disminuyeron de 31,01 y 26,81 en la etapa 1 a 8,13 y 2,77 respectivamente. Bajo altas concentraciones de nitrógeno amoniacal, los metanógenos hidrogenotróficos dominan gradualmente y la vía metanogénica que utiliza acetato se convierte en el paso limitante de la velocidad en el proceso metanogénico de digestión anaeróbica.
Las investigaciones muestran que cuando la concentración de amoníaco en el sistema de digestión anaeróbica excede los 3 g/L, los metanógenos que utilizan ácido acético en el sistema comienzan a inhibirse y la actividad de los oxidantes mutuamente tróficos del ácido acético. Las bacterias (SAOB) aumentan gradualmente. Puede degradar el ácido acético en hidrógeno y dióxido de carbono, y luego sintetizar metano a través de metanógenos hidrogenotróficos.
La investigación de Karakashev et al. también demostró que a medida que aumenta la concentración de amoníaco en el sistema, la actividad de las bacterias oxidantes de ácido acético (SAOB) sintróficas excede gradualmente a la de los metanógenos que utilizan ácido acético, y tener una ventaja en el proceso de consumo de ácido acético.
Ajuste del valor de pH 2. 2
El valor de pH del sistema de digestión anaeróbica no solo está estrechamente relacionado con las actividades vitales normales de los microorganismos, sino también con la concentración de libre. amoníaco en el sistema. Se puede ver en la fórmula (1) que a medida que aumenta el pH en el sistema, más NH 4 del sistema se convertirá en moléculas de amoníaco libre (NH3).
Las bacterias metanogénicas del sistema son más sensibles a la concentración de amoníaco y su actividad se ve primero afectada, lo que luego conduce a la acumulación de AGV. Cuando se acumula hasta cierto punto, el pH del sistema disminuye. , lo que en última instancia conduce a una disminución en la producción de gas del sistema o incluso a una falla. El control eficaz del pH en el sistema es fundamental para frenar los efectos de la inhibición del amoníaco.
2.3 Control de temperatura
La temperatura se considera un factor importante que afecta el umbral de inhibición de amoníaco del sistema y está relacionado con la tasa de crecimiento de los microorganismos y la concentración de libre. amoníaco en el sistema de digestión anaeróbica (ver fórmula (1)) Contacto cercano. Generalmente se cree que a medida que aumenta la temperatura, la tasa metabólica de los microorganismos se acelera, lo que también conducirá a un aumento correspondiente en la concentración de amoníaco libre en el sistema.
Además, muchos estudiosos han descubierto que, en el caso de residuos orgánicos con alto contenido de nitrógeno, la digestión anaeróbica a alta temperatura (50 a 60 ℃) es más susceptible a la inhibición por amoníaco que la digestión anaeróbica a temperatura media (30 a 40 ℃). ) digestión anaeróbica. Causando inestabilidad del sistema.
Hejnfelt y Angelidaki realizaron una digestión anaeróbica de los residuos del matadero. Los resultados mostraron que la concentración total de nitrógeno del sistema final en el reactor anaeróbico de alta temperatura (55 ℃) alcanzó 7 000 mg/L (el amoníaco libre). La concentración alcanzó 999 mg/L), mientras que el reactor anaeróbico de temperatura media (37 °C) todavía funciona de manera estable cuando la concentración de amoníaco libre alcanza los 400 mg/L.
Gallert y Winter diseñaron dos conjuntos de reactores de digestión anaeróbica de residuos domésticos con temperaturas de reacción de 37 y 55 °C respectivamente. Cuando los dos conjuntos de reactores alcanzaron una inhibición de 50 °C, las concentraciones de amoníaco libre correspondientes fueron respectivamente 220.690. mg/l. Sin embargo, Masse et al. estudiaron la digestión anaeróbica a baja temperatura (10°C) de estiércol de cerdo y encontraron que la digestión anaeróbica a baja temperatura era más tolerante a altas concentraciones de nitrógeno amoniacal en el sistema que la digestión anaeróbica a temperatura más alta y media. Se especula que la posible razón es que en condiciones de baja temperatura, la relación entre la concentración de amoníaco libre y el nitrógeno amoniacal total del sistema es baja.
2.4 Ajuste del valor C/N
Para los sistemas de digestión anaeróbica, si la relación C/N de las materias primas de fermentación es demasiado alta, provocará fuentes insuficientes de nitrógeno en el sistema. Por el contrario, si la relación C/N es demasiado baja, fácilmente conducirá a la acumulación de amoníaco en el sistema e inhibirá los microorganismos de la digestión anaeróbica. La selección de sustratos de reacción con diferentes características para la digestión anaeróbica combinada es una medida rentable y fácil de operar para reducir el riesgo de inhibición por amoníaco en el sistema.
Ajustar la relación C/N de las materias primas de fermentación puede controlar eficazmente el nivel de concentración total de nitrógeno amoniacal en el sistema. Sin embargo, este proceso es relativamente lento y sólo puede desempeñar un papel correspondiente cuando los microorganismos metanogénicos del sistema están en estado activo. Si los microorganismos metanogénicos en el sistema de digestión anaeróbica han sido severamente suprimidos y la relación C/N de la materia prima de fermentación se ajusta en este momento, será difícil recuperar el sistema.
El estudio de De Vries et al. demostró que, en comparación con la digestión anaeróbica separada del alimento de maíz verde, su digestión anaeróbica combinada con remolacha y levadura de trigo aumentó la producción de glicerol bioenergético en un 568%. Hejnfelt y Angelidaki descubrieron que agregar 5 subproductos de carne de cerdo al estiércol de cerdo para una digestión anaeróbica mesófila combinada aumentaba la producción de metano en un 40% en comparación con la digestión anaeróbica de estiércol de cerdo solo.
Molinuevo-Salces et al. pusieron una cierta cantidad de residuos del procesamiento de vegetales en estiércol de cerdo para la digestión anaeróbica. Los resultados mostraron que la tasa de degradación del VS en el sistema mejoró.
Shanmugam y Horan realizaron una digestión anaeróbica de las aguas residuales de la curtiduría. El diseño experimental consistía en alimentar aguas residuales con una relación C/N de 3, 2 a 30. Los resultados mostraron que el sistema de digestión anaeróbica tenía un pH del sistema. 6.5, cuando la relación C/N es 15, la producción acumulada de gas alcanza el máximo y en este momento la concentración de amoníaco libre del sistema (817 mg/L) es baja. En comparación con las aguas residuales originales sin relación C/N ajustada, la liberación de amoníaco libre se redujo en un 80%.
2.5 Otros factores y medidas que influyen
Muchos estudiosos han descubierto que la biomasa inicial, la frecuencia de alimentación, la adición de componentes del contactor de membrana, la inmovilización microbiana, la adición y dilución de oligoelementos, etc. Todos tienen un impacto en la supresión de amoníaco en el sistema de digestión anaeróbica. Al tomar ciertas medidas, se puede mitigar el impacto de la supresión de amoníaco.
Markou et al. estudiaron la digestión anaeróbica de la espirulina y diseñaron la biomasa inicial para que fuera 125, 250 y 500 mg/L respectivamente. Los resultados mostraron que cuanto menor era la biomasa inicial del sistema de digestión anaeróbica, mayor era la biomasa inicial. más susceptible es a la inhibición por amoníaco. Se especula que cuanto mayor sea la biomasa, más rápida será la tasa de asimilación del nitrógeno amoniacal en el sistema.
Tice et al. realizaron un estudio sobre pilas de combustible microbianas y los resultados mostraron que, bajo la condición de que el sustrato fuera 2 g/L de acetato de sodio, el grupo de alimentación con alta frecuencia (alimentación una vez cada 2 días) tuvo el mayor consumo total de energía en el sistema. Cuando la concentración de nitrógeno amoniacal alcanza los 4 000 mg/L, todavía se puede obtener una alta densidad de potencia (1,1 ~ 1,9 W/m 2 ).
El grupo de baja frecuencia de alimentación (alimentación una vez cada 6 días) logró una menor densidad de potencia cuando la concentración total de nitrógeno amoniacal del sistema alcanzó los 2 500 mg/L.
Aumentando la frecuencia de alimentación se puede mejorar la tolerancia de los microorganismos electrogénicos a la inhibición por amoníaco. También se señaló que la curva de densidad de potencia es más efectiva para predecir la inhibición por amoníaco en celdas de combustible microbianas que el monitoreo continuo de corriente.
Lauterbock et al. agregaron un componente contactor de membrana de fibra hueca al sistema de digestión anaeróbica de los desechos del matadero para eliminar continuamente el nitrógeno amoniacal del sistema. Los resultados mostraron que su concentración de amoníaco libre era 1 en comparación con la del sistema. reactor de control 000 ~ 1 200 mg/L, reducido en aproximadamente 70.
Aunque el sistema es más estable, también consigue una mayor producción de metano y una mayor eficiencia en el tratamiento. Agregar materiales de carga inertes (arcilla, carbón activado, zeolita, etc.) al reactor de digestión anaeróbica para la inmovilización microbiana puede ralentizar eficazmente la inhibición del amoníaco y hacer que el proceso de digestión sea más estable.
Sasaki et al. agregaron textiles de fibra de carbono (CFT) a un reactor de digestión anaeróbica de alta temperatura para inmovilizar los metanógenos. Los resultados mostraron que cuando el nitrógeno amoniacal total en el sistema alcanzaba los 3 000 mg/L, el reactor añadiendo CFT. Sigue funcionando estable. Y mediante el análisis del gen 16S rRNA, una gran cantidad de metanógenos se unen a CFT. El reactor de control sin CFT tuvo un menor rendimiento de metano cuando el nitrógeno amoniacal total en el sistema alcanzó 1 500 mg/L.
Banks et al. agregaron oligoelementos selenio y cobalto al sistema de digestión anaeróbica y optimizaron su dosis. Descubrieron que, en condiciones óptimas, la concentración total de nitrógeno amoniacal del sistema se podía controlar a 5 000 mg/. L y operación estable, mientras que la concentración total de nitrógeno amoniacal en el grupo de control alcanzó 6 100 mg/L.
Kayhanian señaló que la dilución puede reducir directamente la carga de amoníaco del sistema de digestión anaeróbica, moderando así los efectos de la supresión de amoníaco. Sin embargo, este método no es económico porque el volumen del reactor se desperdiciará después de la dilución y se reducirá la eficiencia del tratamiento.
Además, se pueden utilizar algunos métodos físicos y químicos, como precipitación química, extracción, etc., para eliminar el nitrógeno amoniacal en el reactor de digestión anaeróbica y ralentizar la supresión de amoníaco. Las investigaciones han descubierto que el sistema de digestión anaeróbica de dos fases tiene una mejor tolerancia al nitrógeno amoniacal en el sistema que el sistema de digestión anaeróbica monofásico tradicional y también puede mejorar la eficiencia del tratamiento del sistema.
Por lo tanto, se puede considerar el uso de un sistema de digestión anaeróbica de dos fases para tratar los desechos con alto contenido de nitrógeno para reducir el impacto del exceso de nitrógeno amoniacal en la eficiencia de la reacción durante el proceso de digestión.
3 Conclusión
En la actualidad, se han llevado a cabo muchas investigaciones en el país y en el extranjero sobre la supresión del amoníaco en la digestión anaeróbica, pero la investigación existente se centra más en el efecto. de la supresión del amoníaco en los patrones cambiantes de las comunidades microbianas metanogénicas, y las medidas para aliviar la inhibición del amoníaco aún se encuentran a nivel de laboratorio.
Aunque el sistema de digestión anaeróbica donde se produce la supresión de amoníaco aún se puede restaurar tomando medidas, el proceso requiere una cierta cantidad de tiempo para recuperarse, lo que afecta seriamente la continuidad y eficiencia del proceso de digestión, especialmente para proyectos reales. Inevitable.
Por lo tanto, las direcciones de investigación futuras deberían centrarse más en la interacción entre los metanógenos y otros microorganismos anaeróbicos durante el proceso de supresión de amoníaco y la predicción y simulación de la supresión de amoníaco en el sistema en las primeras etapas de la supresión de amoníaco. El sistema toma las medidas adecuadas para evitar los efectos adversos de la supresión de amoníaco en el sistema.
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