Na+離子處理對(duì)光照和黑暗條件下厭氧發(fā)酵體系產(chǎn)沼氣和CH4影響研究

陳春樂(lè)，黃學(xué)青，田 甜，阮漢勇，韓 磊，易永超，張 嚴(yán)

（1.福建省資源環(huán)境監(jiān)測(cè)與可持續(xù)經(jīng)營(yíng)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建三明365004；2.清潔生產(chǎn)技術(shù)福建省高校工程研究中心 福建三明 365004；3.三明學(xué)院資源與化工學(xué)院 福建三明 365004）

Na+離子處理對(duì)光照和黑暗條件下厭氧發(fā)酵體系產(chǎn)沼氣和CH4影響研究

陳春樂(lè)1,2,3，黃學(xué)青3，田 甜1,2,3，阮漢勇3，韓 磊3，易永超3，張 嚴(yán)1,2,3

（1.福建省資源環(huán)境監(jiān)測(cè)與可持續(xù)經(jīng)營(yíng)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建三明365004；2.清潔生產(chǎn)技術(shù)福建省高校工程研究中心 福建三明 365004；3.三明學(xué)院資源與化工學(xué)院 福建三明 365004）

為了明確Na＋離子濃度對(duì)厭氧發(fā)酵體系產(chǎn)沼氣和CH4的影響，試驗(yàn)設(shè)置了光照和黑暗條件，采用逐步提高實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Na＋濃度，測(cè)定了產(chǎn)沼氣量和產(chǎn)甲烷量。研究結(jié)果表明，不論在光照還是黑暗條件下，Na＋離子濃度為3745．2～5577．6mg/L均具有較好的產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣速率和產(chǎn)CH4量，可成為厭氧發(fā)酵體系Na＋濃度的最適濃度的選擇。

Na＋；黑暗；光照；厭氧發(fā)酵；產(chǎn)氣

厭氧發(fā)酵是在厭氧條件下有機(jī)物被多種微生物代謝，是一個(gè)復(fù)雜的連續(xù)的微生物學(xué)過(guò)程。研究表明，參與此過(guò)程的微生物上百種，總體上可以分為兩大類(lèi)，包括發(fā)酵細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷菌和同型產(chǎn)乙酸菌在內(nèi)的非產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)甲烷菌。所有微生物在厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中相互依存，最終完成有機(jī)物降解，將碳元素以甲烷和二氧化碳的形式釋放出來(lái)[1]。厭氧發(fā)酵的效率及運(yùn)行穩(wěn)定性受到多個(gè)因素的影響，對(duì)于反應(yīng)過(guò)程的一些參數(shù)還是難以控制。因此，厭氧發(fā)酵技術(shù)還存在轉(zhuǎn)化率比較低，沼氣產(chǎn)氣量較低等問(wèn)題，極大程度的影響了沼氣的推廣和應(yīng)用。我國(guó)對(duì)于反應(yīng)過(guò)程中的一些影響因素也有研究，如 K、Ca、Mg、Fe、Co、Ni、Se、Mn、Mo、V、Al、Na 等穩(wěn)態(tài)離子及氨、硫化物、硫酸鹽、氧化還原電位和氯酚、含氮芳烴化合物、長(zhǎng)鏈脂肪酸等有機(jī)物對(duì)產(chǎn)甲烷菌的影響[2-5]。也有關(guān)于不同光照條件對(duì)厭氧反應(yīng)體系的影響研究[6-11]。

在眾多因素中，Na+對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性會(huì)產(chǎn)生影響。Na+在自然環(huán)境中是普遍存在離子，大量存在于農(nóng)作物秸桿、禽畜糞便、人糞尿、樹(shù)葉雜草、餐廚垃圾、泔水、垃圾滲濾液等中，這些是制取沼氣的主要原料來(lái)源，而Na+會(huì)影響生物體滲透壓、酶活性等，從而影響生物的代謝活性。對(duì)于Na+濃度來(lái)說(shuō)，在100～200 mg/L范圍時(shí)對(duì)中溫厭氧菌的生長(zhǎng)是有益的[12]，因?yàn)镹a+對(duì)三磷酸腺苷的形成或核苷酸的氧化有促進(jìn)作用。Na+濃度過(guò)高時(shí)，Na+很容易干擾微生物的代謝,影響它們的活性[13]。洪天求等研究了Na+濃度對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫氣影響的研究，結(jié)果表明Na+濃度較低（＜1 000 mg/L）時(shí)對(duì)微生物的活性和產(chǎn)氫能力有不良影響；Na+濃度在1 000～2 000 mg/L時(shí)，對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫有促進(jìn)作用；在高Na+離子濃度時(shí)（8 000～16 000mg/L），對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫有明顯的抑制作用[14]。

以上研究結(jié)果表明，Na+濃度可通過(guò)影響三磷酸腺苷的形成或核苷酸的氧化以及影響微生物的代謝等途徑對(duì)厭氧發(fā)酵體系產(chǎn)氣性能產(chǎn)生影響。但是尚未有關(guān)于Na+對(duì)黑暗和光照條件下厭氧反應(yīng)體系產(chǎn)氣影響的相關(guān)研究。在制取沼氣的主要原料中普遍存在著大量的Na+離子，因此研究Na+濃度對(duì)厭氧體系產(chǎn)氣性能的影響，從而對(duì)提高原料的利用率、沼氣產(chǎn)量、CH4的百分比具有重要的意義?？蔀樘峁﹨捬躞w系中適宜的Na+濃度，促進(jìn)厭氧工藝的推廣和應(yīng)用具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試厭氧發(fā)酵污泥采集自永安燃?xì)庠罹哂邢薰镜静輩捬醢l(fā)酵剩余的污泥，將采集的污泥放置在自封袋中，于4℃冰箱中保存。

試驗(yàn)所用的試劑，包括：尿素、磷酸二氫鉀、葡萄糖、氫氧化鈉和硝酸，均為分析純?cè)噭?，?gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 研究方法

1.2.1污泥的馴化

厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)啟動(dòng)之前，必需向厭氧反應(yīng)體系中加入?yún)捬跷⑸镒鳛榻臃N物，故此需將采集到的污泥進(jìn)行馴化。本試驗(yàn)以葡萄糖（碳源）、尿素（氮源）和磷酸二氫鉀（磷源）為營(yíng)養(yǎng)源對(duì)來(lái)自黑暗條件下的稻草發(fā)酵剩余污泥在38℃恒溫水浴鍋（HH-4數(shù)顯，國(guó)華電器有限公司）中光照條件（白天自然光、晚上日關(guān)燈）下進(jìn)行馴化。具體步驟如下：取來(lái)自黑暗條件下的稻草發(fā)酵剩余污泥放入1.5 L純凈水瓶中，加入葡萄糖、尿素及磷酸二氫鉀，旋緊瓶蓋，每天進(jìn)行搖晃，并將產(chǎn)生的沼氣通過(guò)旋瓶蓋松緊進(jìn)行排出，重復(fù)操作，直至沒(méi)產(chǎn)氣量或產(chǎn)氣量極少時(shí)（可忽略），此時(shí)污泥馴化完畢。

1.2.2試驗(yàn)處理

以500 mL平底燒瓶作為反應(yīng)容器，向平底燒瓶中加入經(jīng)馴化過(guò)的污泥250 mL，塞好已事先做好了的塞子，接好導(dǎo)氣管及集氣瓶、取樣管也即加料管，放在38℃恒溫水浴鍋中，設(shè)置黑暗和光照處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。黑暗處理是以黑色布套套住反應(yīng)容器，使反應(yīng)體系持續(xù)維持黑暗條件；光照處理是將反應(yīng)容器白天暴露在光照中，夜晚打開(kāi)日光燈，維持反應(yīng)體系為光照條件。反應(yīng)體系建立好后，進(jìn)行產(chǎn)氣特性研究試驗(yàn)，總共進(jìn)行4次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)培養(yǎng)周期均為20 d（培養(yǎng)至20 d時(shí)基本已不產(chǎn)氣）步驟如下：

第1次實(shí)驗(yàn)：在建立好了的體系中，加入葡萄糖、磷酸二氫鉀及尿素為營(yíng)養(yǎng)源，并每天加入5 mol/L的NaOH溶液（維持反應(yīng)體系pH為中性條件），記錄整個(gè)過(guò)程產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣周期、甲烷產(chǎn)量；直至不產(chǎn)氣；第1次實(shí)驗(yàn)完畢；

第2次試驗(yàn)：在第一次實(shí)驗(yàn)完畢的反應(yīng)體系中加入萄糖、磷酸二氫鉀及尿素為營(yíng)養(yǎng)源，并每天加入5 mol/L的NaOH溶液（維持反應(yīng)體系pH為中性條件），記錄整個(gè)過(guò)程產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣周期、甲烷產(chǎn)量；直至不產(chǎn)氣；第2次實(shí)驗(yàn)完畢。以此循環(huán)進(jìn)行，進(jìn)行4次試驗(yàn)。

1.2.3產(chǎn)氣量及甲烷含量測(cè)定

（1）產(chǎn)氣量的測(cè)定

反應(yīng)產(chǎn)生的氣體由上連接管導(dǎo)入裝滿飽和食鹽水的集氣瓶，在集氣瓶上部產(chǎn)生壓力將飽和食鹽水壓入量筒中，量筒中水的體積即為反應(yīng)所產(chǎn)生沼氣的體積。產(chǎn)沼氣量測(cè)定方法為：排飽和食鹽水等價(jià)法。沼氣收集裝置如圖1所示。

（2）甲烷含量的測(cè)定

甲烷百分比的測(cè)定通過(guò)連接口及兩開(kāi)關(guān)控制，用沼氣分析儀 （Gasboard-3200，武漢四方光電科技有限公司）測(cè)定。每次測(cè)定前，都將集氣裝置取下，換上備用的集氣裝置，測(cè)完取下的集氣裝置中沼氣中甲烷的百分比后，將此及其裝置作為下一個(gè)的備用集氣裝置，依此輪流測(cè)定。

1.2.4反應(yīng)體系pH的測(cè)定及調(diào)節(jié)

反應(yīng)器（小試）放在38℃的恒溫水浴鍋中，反應(yīng)過(guò)程中由直伸反應(yīng)器底部的長(zhǎng)玻璃管取樣測(cè)定pH及調(diào)節(jié)pH。用精密pH試紙（Q/GHSC1571-2006精密pH試紙，上海三愛(ài)思試劑有限公司）測(cè)定反應(yīng)體系pH，用5 mol/L氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)體系pH為中性，在每次測(cè)定之前和加入氫氧化鈉溶液之后均搖勻反應(yīng)器，使體系中沼液充分混合。

1.2.5 Na+濃度的測(cè)定及方法

在每次試驗(yàn)結(jié)束時(shí)采集水樣，將采集的水樣以3 000 r/min離心15 min（L-420，湖南湘儀離心機(jī)儀器有限公司），取上清液用濾紙過(guò)濾（中速定量濾紙，杭州特種紙業(yè)有限公司），用（1+1）硝酸把溶液酸度調(diào)節(jié)至 pH＜2，用 ICP-OES（Optima2000DV，PerkinElmer）測(cè)定鈉離子濃度。

圖1 排飽和食鹽水水法收集沼氣裝置

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Sigmaplot12.5和SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和作圖。每個(gè)處理有3個(gè)重復(fù)，試驗(yàn)結(jié)果以3個(gè)重復(fù)的平均值±方差（SD）的形式來(lái)表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同試驗(yàn)處理體系Na+濃度

在4次試驗(yàn)過(guò)程中，在體系中都加入了NaOH溶液調(diào)整反應(yīng)體系的pH為中性。結(jié)果表明，在整個(gè)厭氧發(fā)酵過(guò)程中，為了調(diào)節(jié)光照條件和黑暗條件下體系的pH，在這兩個(gè)光照條件下所加入的NaOH溶液的量是一致的。在每次試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，測(cè)定的體系的Na+濃度如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)開(kāi)始后體系Na+離子濃度要顯著高于體系原始樣（p＜0.05），說(shuō)明經(jīng)過(guò)馴化后的污泥，在光照和黑暗條件下均進(jìn)行了明顯的厭氧發(fā)酵過(guò)程，導(dǎo)致體系的pH降低，需要通過(guò)添加NaOH溶液維持反應(yīng)體系pH為中性。隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加，Na+濃度會(huì)在體系中逐漸累積，呈現(xiàn)出顯著增加的趨勢(shì)。

2.2 Na+濃度對(duì)光照和黑暗條件下沼氣產(chǎn)量的影響

圖2 不同試驗(yàn)處理體系Na+濃度

圖3為不同培養(yǎng)處理在不同光照條件下的沼氣產(chǎn)量。由圖3可知，Na+濃度為 1 912.7～5 577.6 mg/L時(shí)，光照條件和黑暗條件下，沼氣產(chǎn)量均要大于Na+離子濃度為 80.3～1 912.7 mg/L 和 5 577.6～7 410.0mg/L時(shí)。光照條件下，第3次培養(yǎng)期間的累計(jì)產(chǎn)氣量要顯著大于第1次、第2次和第4次，黑暗條件下也同樣在第3次培養(yǎng)期間出現(xiàn)最大值。由圖2還可知，光照條件下的產(chǎn)氣量要明顯要大于黑暗條件下的產(chǎn)氣量，其中光照條件下的20 d累計(jì)產(chǎn)氣量為833.8～1 620.0 mL，黑暗條件下的20 d累計(jì)產(chǎn)氣量為468.5～654.0 mL，Na+存在對(duì)黑暗條件下的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的影響要明顯大于光照條件。以上結(jié)果說(shuō)明厭氧發(fā)酵體系Na+離子濃度對(duì)產(chǎn)沼氣量影響很大，低和過(guò)高濃度的Na+離子對(duì)產(chǎn)氣均有抑制作用，從本研究結(jié)果看，體系的Na+濃度為3 745.2～5 577.6 mg/L時(shí)對(duì)光照和黑暗條件下的產(chǎn)氣量效果最好。

光照條件下，第2次（第2d～第8d產(chǎn)氣）和第3次培養(yǎng)（第3d～第9d產(chǎn)氣）沼氣的產(chǎn)氣速率明顯要比第一次（第2d～20天）和第 4次（第 2d到第18d）培養(yǎng)快（圖3（a）），說(shuō)明低濃度和高濃度Na+離子濃度對(duì)光照厭氧發(fā)酵體系產(chǎn)氣和產(chǎn)氣速率起抑制作用。此外，在黑暗條件下，第3次和第4次培養(yǎng)的產(chǎn)氣速率要明顯快與第1次和第2次培養(yǎng)，說(shuō)明高濃度的Na+濃度 （3 745.2～7 410.0 mg/L）可以促進(jìn)黑暗條件下的產(chǎn)氣速率，但綜合對(duì)產(chǎn)氣量影響的結(jié)果，黑暗條件下Na+離子濃度為3 745.2～5 577.6 mg/L具有較好的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率。綜合分析表明，不論在光照還是黑暗條件下，Na+離子濃度為3 745.2～5 577.6 mg/L均具有較好的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率，可成為厭氧發(fā)酵體系Na+濃度的選擇。

圖3 不同試驗(yàn)處理在條件下的沼氣產(chǎn)量

2.3 Na+濃度對(duì)光照和黑暗條件下CH4產(chǎn)量的影響

圖3為不同培養(yǎng)處理在不同光照條件下的厭氧發(fā)酵體系CH4產(chǎn)量。與沼氣產(chǎn)量結(jié)果相似，光照條件下，第3次培養(yǎng)期間的累計(jì)產(chǎn)CH4量（271.9 mL）要顯著大于第1次、第2次和第4次，黑暗條件下也同樣在第3次培養(yǎng)期間出現(xiàn)最大值（83.9 mL）。光照條件下的累計(jì)產(chǎn)CH4量大于黑暗條件下累計(jì)產(chǎn) CH4量（圖 4(a)）。

在4次光照培養(yǎng)期間，產(chǎn)CH4量占產(chǎn)沼氣的比例分別為0.2%～4.1%（第1次）、1.3%～13.4%（第2次）、12.9%～25.4%（第 3次）和 3.0%～13.7%（第 4次），由此可見(jiàn)在 Na+濃度為 3 745.2～5 577.6 mg/L期間產(chǎn)CH4量占產(chǎn)沼氣的比例最大，明顯大于其他批次處理。在黑暗培養(yǎng)期間也發(fā)現(xiàn)了一樣的結(jié)果，說(shuō)明了Na+濃度對(duì)沼氣中CH4含量比例的影響很大，以此影響了CH4的產(chǎn)量。從本研究結(jié)果看，體系的Na+濃度為3 745.2～5 577.6 mg/L時(shí)對(duì)光照和黑暗條件下的產(chǎn)CH4效果最好（圖4(b)）。

鈉鹽對(duì)微生物體具有很強(qiáng)的生理作用。實(shí)驗(yàn)剛開(kāi)始階段體系中的鈉離子濃度較低，隨著不斷的添加氫氧化鈉溶液，使體系中的鈉離子濃度逐漸增大，促進(jìn)了體系中厭氧菌的呼吸代謝，提高了沼氣產(chǎn)量、及甲烷量，同時(shí)也增大了產(chǎn)氣速率；當(dāng)鈉離子達(dá)到了一定的濃度時(shí)，干擾厭氧菌細(xì)胞膜的通透性、阻礙氨基酸的吸附、降低酶的活性，相應(yīng)地降低了沼氣產(chǎn)量及甲烷產(chǎn)量，同時(shí)也降低了產(chǎn)氣速率。這是造成不同Na+離子濃度在本試驗(yàn)中產(chǎn)沼氣和CH4量差異的重要原因，就本試驗(yàn)而言，Na+濃度最適濃度區(qū)間為：3745.16～5 577.58mg/L，光照條件下的產(chǎn)沼氣和CH4量要優(yōu)于黑暗條件處理。

圖4 不同試驗(yàn)處理在條件下的CH4產(chǎn)量

3 結(jié)論

Na+濃度可通過(guò)影響三磷酸腺苷的形成或核苷酸的氧化以及影響微生物的代謝等途徑對(duì)厭氧發(fā)酵體系產(chǎn)氣性能產(chǎn)生影響。在制取沼氣的主要原料中普遍存在著大量的Na+離子，因此研究Na+濃度對(duì)厭氧體系產(chǎn)氣性能的影響，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。研究結(jié)果表明，不論在光照還是黑暗條件下，Na+離子濃度為3 745.2～5 577.6 mg/L均具有較好的產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣速率和產(chǎn)CH4量，厭氧發(fā)酵體系Na+離子濃度為3 745.2～5 577.6 mg/L可成為Na+濃度的最適濃度區(qū)間的選擇。研究結(jié)果為促進(jìn)厭氧工藝的推廣和應(yīng)用具有一定的研究意義。

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（責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Effects of Na+Ion Treatment on Methane and CH4Productions in Anaerobic
Fermentation System under Light and Dark Conditions

CHEN Chu n-le1,2,3,HUANG Xue-qing3,TIAN Tian1,2,3,RUAN Han-yong3,HANG Lei3,YI Yong-chao3,ZHANG Yan1,2,3,
(1.Fujian Provincial Key Laboratory of Resources and Environment Monitoring&Sustainable Management and Utilization,Sanming 365004,China;2.Fujian Provincial University Engineering Research Center of Cleaner Production Technology,Sanming 365004,China 3.School of Resources and Chemical Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China)

In order to determine the effect of Na+ion concentration on methane and CH4production in anaerobic fermentation system,the methane and CH4production were measured by increasing the Na+concentration in the experimental system under light and dark condition,respectively.The results showed that,whether in light or dark condition,the concentration of Na+ranged from 3 745.2 to 5 577.6mg/L obtained relatively better methane,CH4productions,which could be the selection of the optimum Na+ion concentration under anaerobic fermentation system.

Na+ion;dark;light;anaerobic fermentation;methane production

S216．4

A

1673－4343（2017）04－0069－06

10．14098 ／j．cn35－1288 ／z．2017．04．012

2017－05－26

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014J01136）；三明學(xué)院引進(jìn)高層次人才科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)（16YG02）；福建省大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目（ZL1123/CS）

陳春樂(lè)，男，福建長(zhǎng)樂(lè)人，講師。主要研究方向：環(huán)境污染與修復(fù)。通訊作者：張嚴(yán)，男，廣東平遠(yuǎn)人，副教授。主要研究方向：有害藻類(lèi)的植物化感抑制技術(shù)。