图5-1显示了不同氨浓度下各反应器内的产甲烷过程。

可见，氨对产甲烷反应的抑制程度随其浓度的提高而增加。不同氨浓度下，乙酸向甲烷的转化呈现出不同的模式，而不同接种污泥对高浓度氨胁迫的响应亦存在差异。根据比产甲烷速率和培养时间的不同，本文中将产甲烷过程分为不同的阶段：初始阶段当0≤时，称为产甲烷迟滞期（此时气相中甲烷含量不足1%）；当时，称为缓慢产甲烷期；当0.010 d-1时，称为活跃产甲烷期；培养后期当时，称为产甲烷稳定期。

图5-1 不同氨浓度各反应器的甲烷产生情况

1.高温下的产甲烷过程

高温反应器中，TAN浓度为10 mmol/L时，产甲烷过程并无显著迟滞期，反应装置安装完毕后甲烷即快速产生，高达0.141 d-1。培养11 d后逐渐进入稳定期，累计产甲烷量达到0.93～0.94 mol/molacetate。

TAN浓度为214 mmol/L时，培养初期甲烷缓慢产生。10 d后产甲烷速率迅速增加，产甲烷过程进入活跃期；第10～18 d间，产甲烷量和速率持续增加，最高达到0.066 d-1。随着乙酸逐渐被消耗，第20 d时开始降低，但此时产甲烷量仅0.71 mol/mol-acetate，尚未达到饱和；此后甲烷以较低速率缓慢产生，在35～42 d有一个小幅度增加（由0.001 d-1增加到0.015 d-1）；培养结束时（54 d），该反应器累计产甲烷量达到0.92 mol/mol-acetate。

TAN浓度为357 mmol/L时的产甲烷过程与214 mmol/L时相似，即经历了初始缓慢产甲烷期（0～11 d）和产甲烷期（11～28 d）后，甲烷以较低速率最高达到0.053 d-1±0.002 d-1）缓慢产生直至培养期结束，最终产甲烷量达到0.91～0.93 mol/mol-acetate。但相比之下，TAN浓度为357 mmol/L时的略有降低，产甲烷过程更慢进入活跃期。

TAN浓度为500 mmol/L时，产甲烷过程呈现出较大的不稳定性。TCS-N7（2）在经历了5 d的缓慢产甲烷期后即进入活跃期（最高为0.031 d-1）。当产甲烷量达到0.004 mol/mol-acetate后，呈现出降低-较低值波动-增加-再降低的趋势。对此现象产生的原因可作以下推测：在较高氨浓度下，随着培养初期乙酸的快速消耗，溶液中存在的缓冲盐并不能及时控制pH的变化，游离氨浓度随着pH的增加而上升，产甲烷菌因此受到抑制，导致了的降低。随着高浓度游离氨下暴露时间的增加，产甲烷菌被驯化或者新的功能菌产生，产甲烷活力又开始增加。我们将产甲烷量未饱和时（即甲烷产量＜0.9 mol/mol-acetate）降低和在低水平波动的阶段称为“中间抑制期”；而随后恢复至较高水平的阶段称为“后活跃产甲烷期”；相应的，初始的高速产甲烷阶段称为“前活跃产甲烷期”。因此，TCS-N7（2）中的产甲烷过程可描述为：初始缓慢产甲烷期-前活跃产甲烷期-中间抑制期-后活跃产甲烷期-产甲烷稳定期。而在相同培养条件下的TCS-N7（1）在经历了较长的迟滞期后，于28 d进入活跃产甲烷期，其低于TCS-N7（2）的前活跃期；于97 d进入产甲烷稳定期。TAN 500 mmol/L下，最终产甲烷量为0.89～0.91 mol/mol-acetate。

TAN浓度为643 mmol/L时，产甲烷过程受到更强烈的抑制。产甲烷迟滞期长达47～54 d，之后即快速进入活跃产甲烷期，但此时其比产甲烷速率最高为0.023 d-1，远低于TAN 10 mmol/L反应器的（0.139±0.002）d-1。培养97～105 d后进入稳定期时，产甲烷量为0.88～0.89 mol/mol-acetate。

对不同氨浓度下高温反应器的产甲烷过程采用Gompertz模型进行拟合，结果如表5-3所示。除反应器TCS-N7（2）的决定系数R2较低外，其他拟合过程的R2均大于0.98。总体上，随着氨浓度的提高，迟滞期显著延长，产甲烷速率降低，最大产甲烷量亦有所降低。相比10 mmol/L TAN，TAN浓度为643 mmol/L时，最大产甲烷速率降低了84%～86%，产甲烷迟滞期显著延长（47～50 d）；而TAN浓度为500 mmol/L时，产甲烷过程则处于不稳定状态。

表5-3 不同氨浓度下各高温反应器产甲烷过程的Gompertz模型拟合结果

2.中温下的产甲烷过程

与高温反应器类似，中温反应器中氨对产甲烷反应的抑制程度亦随其浓度的增加而增加，且接种MCS和MFS污泥的反应器也分别呈现出相近的变化规律。比较反应速率可知，污泥MFS的活力略低于污泥MCS。

TAN浓度为10 mmol/L时，产甲烷反应快速进行。反应器设置完毕后，MCS-N0.14即迅速进入活跃期。MFS-N0.14中，则出现短暂的缓慢产甲烷期（约4 d）后才进入活跃期，其最大反应速率0.002 d-1）也低于。MCS和MFS分别于第10 d和第20 d进入稳定期。培养结束时，产甲烷量分别为0.96～1.01 mol/mol-acetate和0.94～0.95 mol/mol-acetate。(www.daowen.com)

TAN浓度为214 mmol/L时，MCS-N3和MFS-N3于3 d后进入活跃期，逐渐增加至0.042 d-1，随后大幅度波动并降低。到进入稳定期前，甲烷均以较慢速率产生。最终产甲烷量为0.91～0.99 mol/mol-acetate。

TAN浓度为357 mmol/L时，MCS-N5和MFS-N5中的产甲烷过程均处于不稳定状态。MCS-N5（1，2）与T-N7（2）相似，出现了2个活跃产甲烷期（分别起始于13 d和59 d），最终产甲烷量为0.87～0.91 mol/mol-acetate。MFS-N5产甲烷过程的阶段性并不显著，始终处于较低值（0.006～0.012 d-1）。自97 d开始，出现增加趋势，但培养至108 d结束时尚未进入稳定期。

TAN浓度为500 mmol/L时，迟滞期显著延长，MCS-N7和MFS-N7分别于（65±2）d和（70±5）d进入活跃产甲烷期，其值远低于TAN 10 mmol/L时（最大值0.026 d-1）。至培养结束，产甲烷量达到0.84～0.92 mol/mol-acetate。

TAN浓度为643 mmol/L时，MCS-N9在经历了近80 d的迟滞期后，开始缓慢产甲烷，且逐渐增加，但至培养结束时尚未进入活跃期。MFS-N9则在整个培养过程处于迟滞期。由此说明，643 mmol/L TAN时，甲烷化可能在极长的迟滞期（＞108 d）后逐渐启动。

采用Gompertz模型拟合各中温反应器的产甲烷过程，结果如表5-4所示。

表5-4 不同氨浓度下各中温反应器产甲烷过程的Gompertz模型拟合结果

处于不稳定态的MCS-N5和MFS-N5，以及未进入活跃产甲烷期的MCS-N9和MFS-N9均无法采用Gomperts模型进行拟合，而其他条件下的拟合效果尚可（R2＞0.99）。与高温培养相比，氨对中温培养下的产甲烷反应有着更强烈的抑制效应，表现为相同氨浓度下更长的迟滞期和更低的产甲烷速率，以及不稳定态出现于相对较低的氨浓度（TAN 357 mmol/L）。相比TAN 10 mmol/L，TAN为500 mmol/L时，MCS和MFS的最大产甲烷速率分别降低了90%和67%～76%，产甲烷迟滞期延长至62～77 d。

3.液相性质

液相溶解碳的变化同样可以反映乙酸的厌氧甲烷化过程。如图5-2所示，不同氨浓度下各反应器液相碳的变化与反应器内的气相变化过程是互相对应的。

图5-2 不同氨浓度各反应器的液相溶解碳

注：*图中TIC的快速下降发生于采集微生物样品时。取样过程中，反应器在厌氧操作台内打开，取完样品后，又将反应器内的气体通过抽真空-充气循环的方式用N2/CO2（20∶80）进行置换。因此造成系统内无机碳损失，表现为TIC的突然降低。

TAN 10 mmol/L时，各反应器内产甲烷反应快速进行，表现为TOC的迅速降低和TIC的快速增加。TAN 214 mmol/L时，TOC初期较快下降，然后缓慢降低；高温下TAN 357 mmol/L时，TOC变化情况与之相似。对于处于不稳定状态的反应器，包括高温的T-N7（2）、中温的MCS-N5（1，2）和MFS-N5（1，2），TOC的变化规律如下：前活跃期快速降低-中间抑制期缓慢降低-后活跃期快速降低。高氨氮浓度下的T-N7（1）、T-N9（1，2）和MCS-N7（1，2）、MFS-N7（1，2）的甲烷化过程，经历了较长的迟滞期。液相的TOC在迟滞期呈现小幅度波动或降低，之后随着甲烷化的启动开始迅速下降。对于甲烷化过程未进入活跃期的MCS-N9（1，2）和MFS-N9（1，2），其液相的TOC仅略有下降。

甲烷化启动后，各反应器液相的TIC亦始终处于增加趋势。尽管因微生物取样操作（N2/CO2置换）导致部分无机碳损失，但当甲烷化进入稳定期时，TIC的累计增加量为83～117 mmol/L，与理论增量100 mmol/L相接近。