陳春樂，黃學青，田 甜，阮漢勇，韓 磊，易永超，張 嚴

（1.福建省資源環(huán)境監(jiān)測與可持續(xù)經營利用重點實驗室 福建三明365004；2.清潔生產技術福建省高校工程研究中心 福建三明 365004；3.三明學院資源與化工學院 福建三明 365004）

Na+離子處理對光照和黑暗條件下厭氧發(fā)酵體系產沼氣和CH4影響研究

陳春樂1,2,3，黃學青3，田 甜1,2,3，阮漢勇3，韓 磊3，易永超3，張 嚴1,2,3

（1.福建省資源環(huán)境監(jiān)測與可持續(xù)經營利用重點實驗室 福建三明365004；2.清潔生產技術福建省高校工程研究中心 福建三明 365004；3.三明學院資源與化工學院 福建三明 365004）

為了明確Na＋離子濃度對厭氧發(fā)酵體系產沼氣和CH4的影響，試驗設置了光照和黑暗條件，采用逐步提高實驗系統(tǒng)Na＋濃度，測定了產沼氣量和產甲烷量。研究結果表明，不論在光照還是黑暗條件下，Na＋離子濃度為3745．2～5577．6mg/L均具有較好的產氣量、產氣速率和產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；產氣

厭氧發(fā)酵是在厭氧條件下有機物被多種微生物代謝，是一個復雜的連續(xù)的微生物學過程。研究表明，參與此過程的微生物上百種，總體上可以分為兩大類，包括發(fā)酵細菌、產氫產甲烷菌和同型產乙酸菌在內的非產甲烷菌和產甲烷菌。所有微生物在厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中相互依存，最終完成有機物降解，將碳元素以甲烷和二氧化碳的形式釋放出來[1]。厭氧發(fā)酵的效率及運行穩(wěn)定性受到多個因素的影響，對于反應過程的一些參數(shù)還是難以控制。因此，厭氧發(fā)酵技術還存在轉化率比較低，沼氣產氣量較低等問題，極大程度的影響了沼氣的推廣和應用。我國對于反應過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、長鏈脂肪酸等有機物對產甲烷菌的影響[2-5]。也有關于不同光照條件對厭氧反應體系的影響研究[6-11]。

在眾多因素中，Na+對厭氧發(fā)酵產氣特性會產生影響。Na+在自然環(huán)境中是普遍存在離子，大量存在于農作物秸桿、禽畜糞便、人糞尿、樹葉雜草、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源，而Na+會影響生物體滲透壓、酶活性等，從而影響生物的代謝活性。對于Na+濃度來說，在100～200 mg/L范圍時對中溫厭氧菌的生長是有益的[12]，因為Na+對三磷酸腺苷的形成或核苷酸的氧化有促進作用。Na+濃度過高時，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+濃度對厭氧發(fā)酵產氫氣影響的研究，結果表明Na+濃度較低（＜1 000 mg/L）時對微生物的活性和產氫能力有不良影響；Na+濃度在1 000～2 000 mg/L時，對厭氧發(fā)酵產氫有促進作用；在高Na+離子濃度時（8 000～16 000mg/L），對厭氧發(fā)酵產氫有明顯的抑制作用[14]。

以上研究結果表明，Na+濃度可通過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厭氧發(fā)酵體系產氣性能產生影響。但是尚未有關于Na+對黑暗和光照條件下厭氧反應體系產氣影響的相關研究。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+濃度對厭氧體系產氣性能的影響，從而對提高原料的利用率、沼氣產量、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，促進厭氧工藝的推廣和應用具有重要的意義。

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氣灶具有限公司稻草厭氧發(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，均為分析純試劑，購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 研究方法

1.2.1污泥的馴化

厭氧發(fā)酵實驗系統(tǒng)啟動之前，必需向厭氧反應體系中加入?yún)捬跷⑸镒鳛榻臃N物，故此需將采集到的污泥進行馴化。本試驗以葡萄糖（碳源）、尿素（氮源）和磷酸二氫鉀（磷源）為營養(yǎng)源對來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，國華電器有限公司）中光照條件（白天自然光、晚上日關燈）下進行馴化。具體步驟如下：取來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，每天進行搖晃，并將產生的沼氣通過旋瓶蓋松緊進行排出，重復操作，直至沒產氣量或產氣量極少時（可忽略），此時污泥馴化完畢。

1.2.2試驗處理

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

第1次實驗：在建立好了的體系中，加入葡萄糖、磷酸二氫鉀及尿素為營養(yǎng)源，并每天加入5 mol/L的NaOH溶液（維持反應體系pH為中性條件），記錄整個過程產氣量、產氣周期、甲烷產量；直至不產氣；第1次實驗完畢；

第2次試驗：在第一次實驗完畢的反應體系中加入萄糖、磷酸二氫鉀及尿素為營養(yǎng)源，并每天加入5 mol/L的NaOH溶液（維持反應體系pH為中性條件），記錄整個過程產氣量、產氣周期、甲烷產量；直至不產氣；第2次實驗完畢。以此循環(huán)進行，進行4次試驗。

1.2.3產氣量及甲烷含量測定

（1）產氣量的測定

反應產生的氣體由上連接管導入裝滿飽和食鹽水的集氣瓶，在集氣瓶上部產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所產生沼氣的體積。產沼氣量測定方法為：排飽和食鹽水等價法。沼氣收集裝置如圖1所示。

（2）甲烷含量的測定

甲烷百分比的測定通過連接口及兩開關控制，用沼氣分析儀 （Gasboard-3200，武漢四方光電科技有限公司）測定。每次測定前，都將集氣裝置取下，換上備用的集氣裝置，測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的備用集氣裝置，依此輪流測定。

1.2.4反應體系pH的測定及調節(jié)

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

1.2.5 Na+濃度的測定及方法

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

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軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和作圖。每個處理有3個重復，試驗結果以3個重復的平均值±方差（SD）的形式來表示。

2 結果與分析

2.1 不同試驗處理體系Na+濃度

在4次試驗過程中，在體系中都加入了NaOH溶液調整反應體系的pH為中性。結果表明，在整個厭氧發(fā)酵過程中，為了調節(jié)光照條件和黑暗條件下體系的pH，在這兩個光照條件下所加入的NaOH溶液的量是一致的。在每次試驗結束時，測定的體系的Na+濃度如圖2所示。試驗結果表明，試驗開始后體系Na+離子濃度要顯著高于體系原始樣（p＜0.05），說明經過馴化后的污泥，在光照和黑暗條件下均進行了明顯的厭氧發(fā)酵過程，導致體系的pH降低，需要通過添加NaOH溶液維持反應體系pH為中性。隨著試驗次數(shù)的增加，Na+濃度會在體系中逐漸累積，呈現(xiàn)出顯著增加的趨勢。

2.2 Na+濃度對光照和黑暗條件下沼氣產量的影響

圖2 不同試驗處理體系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量。由圖3可知，Na+濃度為 1 912.7～5 577.6 mg/L時，光照條件和黑暗條件下，沼氣產量均要大于Na+離子濃度為 80.3～1 912.7 mg/L 和 5 577.6～7 410.0mg/L時。光照條件下，第3次培養(yǎng)期間的累計產氣量要顯著大于第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，光照條件下的產氣量要明顯要大于黑暗條件下的產氣量，其中光照條件下的20 d累計產氣量為833.8～1 620.0 mL，黑暗條件下的20 d累計產氣量為468.5～654.0 mL，Na+存在對黑暗條件下的厭氧發(fā)酵產氣的影響要明顯大于光照條件。以上結果說明厭氧發(fā)酵體系Na+離子濃度對產沼氣量影響很大，低和過高濃度的Na+離子對產氣均有抑制作用，從本研究結果看，體系的Na+濃度為3 745.2～5 577.6 mg/L時對光照和黑暗條件下的產氣量效果最好。

光照條件下，第2次（第2d～第8d產氣）和第3次培養(yǎng)（第3d～第9d產氣）沼氣的產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）），說明低濃度和高濃度Na+離子濃度對光照厭氧發(fā)酵體系產氣和產氣速率起抑制作用。此外，在黑暗條件下，第3次和第4次培養(yǎng)的產氣速率要明顯快與第1次和第2次培養(yǎng)，說明高濃度的Na+濃度 （3 745.2～7 410.0 mg/L）可以促進黑暗條件下的產氣速率，但綜合對產氣量影響的結果，黑暗條件下Na+離子濃度為3 745.2～5 577.6 mg/L具有較好的產氣量和產氣速率。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均具有較好的產氣量和產氣速率，可成為厭氧發(fā)酵體系Na+濃度的選擇。

圖3 不同試驗處理在條件下的沼氣產量

2.3 Na+濃度對光照和黑暗條件下CH4產量的影響

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產量。與沼氣產量結果相似，光照條件下，第3次培養(yǎng)期間的累計產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）。光照條件下的累計產CH4量大于黑暗條件下累計產 CH4量（圖 4(a)）。

在4次光照培養(yǎng)期間，產CH4量占產沼氣的比例分別為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），由此可見在 Na+濃度為 3 745.2～5 577.6 mg/L期間產CH4量占產沼氣的比例最大，明顯大于其他批次處理。在黑暗培養(yǎng)期間也發(fā)現(xiàn)了一樣的結果，說明了Na+濃度對沼氣中CH4含量比例的影響很大，以此影響了CH4的產量。從本研究結果看，體系的Na+濃度為3 745.2～5 577.6 mg/L時對光照和黑暗條件下的產CH4效果最好（圖4(b)）。

鈉鹽對微生物體具有很強的生理作用。實驗剛開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，促進了體系中厭氧菌的呼吸代謝，提高了沼氣產量、及甲烷量，同時也增大了產氣速率；當鈉離子達到了一定的濃度時，干擾厭氧菌細胞膜的通透性、阻礙氨基酸的吸附、降低酶的活性，相應地降低了沼氣產量及甲烷產量，同時也降低了產氣速率。這是造成不同Na+離子濃度在本試驗中產沼氣和CH4量差異的重要原因，就本試驗而言，Na+濃度最適濃度區(qū)間為：3745.16～5 577.58mg/L，光照條件下的產沼氣和CH4量要優(yōu)于黑暗條件處理。

圖4 不同試驗處理在條件下的CH4產量

3 結論

Na+濃度可通過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厭氧發(fā)酵體系產氣性能產生影響。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+濃度對厭氧體系產氣性能的影響，具有重要的現(xiàn)實意義。研究結果表明，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均具有較好的產氣量、產氣速率和產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。研究結果為促進厭氧工藝的推廣和應用具有一定的研究意義。

參考文獻：

［1］ MONTERIA E，MANTHA V，ROUBOA A．Prospective application of farm cattle manure for bioenergy production in Portugal．［J］．Renewable Energy， 2011，36（2）：627－631．

［2］陳晉波．微量金屬元素對提高沼氣產量的研究［D］．濟南：山東輕工業(yè)學院，2010．

［3］ 夏亞穆，常亮，王偉．厭氧消化過程抑制因素的研究進展［J］．化學與生物工程，2009，26（10）：5－8．

［4］呂映輝．提高產甲烷菌活性的應用研究［D］．濟南：山東輕工業(yè)學院，2007．

［5］施華均，錢澤澍，閔航．硫酸鹽對厭氧消化產甲烷的影響［J］．浙江大學學報（農業(yè)與生命科學版），1995（zj）：27－32．

［6］ 陳堅，任洪強，堵國成，等．環(huán)境生物技術［J］．中國生物工程雜志，2001，21（5）：18－22．

［7］ 陳廣銀，鄭正，鄒星星，等．光照對互花米草厭氧消化過程的影響［J］．環(huán)境化學，2009，28（5）：640－644．

［8］史家梁，翁穌穎，徐亞同．光合細菌在廢水處理中的應用及菌體的綜合利用［J］．微生物學通報，1981，8（4）：36－38．

［9］ 劉如林．光合細菌在有機廢水處理中的應用［J］．環(huán)境科學，1991（2）：63－67．

［10］ TADA C，TSUKAHARA K，SAWAYAMA S．Illumination enhances methane production from thermophilic anaerobic digestion［J］．Applied Microbiology ＆ Biotechnology，2006，71（3）：363．

［11］ GOLUEKEC G，OSWALD W J．Biological conversion of light energy to the chemical energy of methane［J］．Applied Microbiology，1959，7（4）：219．

［12］ DIMROTH P，THOMER A．A primary respiratory Na＋pump of an anaerobic bacterium： the Na＋－dependent NADH：quinone oxidoreductase of Klebsiella pneumoniae［J］．Archives of Microbiology，1989，151（5）：439－444．

［13］ MENDEZ R，LEMA J M，SOTO M．Treatment of seafood－processing wastewaters in mesophilic and thermophilic anaerobic filters［J］．Water Environment Research，1995，67（1）：33－45．

［14］ 洪天求，郝小龍，俞漢青．Na＋離子濃度對厭氧發(fā)酵產氫氣影響的實驗研究［J］．水處理技術，2004，30（5）：270－272．

（責任編輯：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

福建省自然科學基金項目（2014J01136）；三明學院引進高層次人才科研啟動經費（16YG02）；福建省大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目（ZL1123/CS）

陳春樂，男，福建長樂人，講師。主要研究方向：環(huán)境污染與修復。通訊作者：張嚴，男，廣東平遠人，副教授。主要研究方向：有害藻類的植物化感抑制技術。