Na+离子处理对光照和黑暗条件下厌氧发酵体系产沼气和CH4影响研究

陈春乐，黄学青，田 甜，阮汉勇，韩 磊，易永超，张 严

（1.福建省资源环境监测与可持续经营利用重点实验室 福建三明365004；2.清洁生产技术福建省高校工程研究中心 福建三明 365004；3.三明学院资源与化工学院 福建三明 365004）

Na+离子处理对光照和黑暗条件下厌氧发酵体系产沼气和CH4影响研究

陈春乐1,2,3，黄学青3，田 甜1,2,3，阮汉勇3，韩 磊3，易永超3，张 严1,2,3

（1.福建省资源环境监测与可持续经营利用重点实验室 福建三明365004；2.清洁生产技术福建省高校工程研究中心 福建三明 365004；3.三明学院资源与化工学院 福建三明 365004）

为了明确Na＋离子浓度对厌氧发酵体系产沼气和CH4的影响，试验设置了光照和黑暗条件，采用逐步提高实验系统Na＋浓度，测定了产沼气量和产甲烷量。研究结果表明，不论在光照还是黑暗条件下，Na＋离子浓度为3745．2～5577．6mg/L均具有较好的产气量、产气速率和产CH4量，可成为厌氧发酵体系Na＋浓度的最适浓度的选择。

Na＋；黑暗；光照；厌氧发酵；产气

厌氧发酵是在厌氧条件下有机物被多种微生物代谢，是一个复杂的连续的微生物学过程。研究表明，参与此过程的微生物上百种，总体上可以分为两大类，包括发酵细菌、产氢产甲烷菌和同型产乙酸菌在内的非产甲烷菌和产甲烷菌。所有微生物在厌氧发酵系统中相互依存，最终完成有机物降解，将碳元素以甲烷和二氧化碳的形式释放出来[1]。厌氧发酵的效率及运行稳定性受到多个因素的影响，对于反应过程的一些参数还是难以控制。因此，厌氧发酵技术还存在转化率比较低，沼气产气量较低等问题，极大程度的影响了沼气的推广和应用。我国对于反应过程中的一些影响因素也有研究，如 K、Ca、Mg、Fe、Co、Ni、Se、Mn、Mo、V、Al、Na 等稳态离子及氨、硫化物、硫酸盐、氧化还原电位和氯酚、含氮芳烃化合物、长链脂肪酸等有机物对产甲烷菌的影响[2-5]。也有关于不同光照条件对厌氧反应体系的影响研究[6-11]。

在众多因素中，Na+对厌氧发酵产气特性会产生影响。Na+在自然环境中是普遍存在离子，大量存在于农作物秸杆、禽畜粪便、人粪尿、树叶杂草、餐厨垃圾、泔水、垃圾渗滤液等中，这些是制取沼气的主要原料来源，而Na+会影响生物体渗透压、酶活性等，从而影响生物的代谢活性。对于Na+浓度来说，在100～200 mg/L范围时对中温厌氧菌的生长是有益的[12]，因为Na+对三磷酸腺苷的形成或核苷酸的氧化有促进作用。Na+浓度过高时，Na+很容易干扰微生物的代谢,影响它们的活性[13]。洪天求等研究了Na+浓度对厌氧发酵产氢气影响的研究，结果表明Na+浓度较低（＜1 000 mg/L）时对微生物的活性和产氢能力有不良影响；Na+浓度在1 000～2 000 mg/L时，对厌氧发酵产氢有促进作用；在高Na+离子浓度时（8 000～16 000mg/L），对厌氧发酵产氢有明显的抑制作用[14]。

以上研究结果表明，Na+浓度可通过影响三磷酸腺苷的形成或核苷酸的氧化以及影响微生物的代谢等途径对厌氧发酵体系产气性能产生影响。但是尚未有关于Na+对黑暗和光照条件下厌氧反应体系产气影响的相关研究。在制取沼气的主要原料中普遍存在着大量的Na+离子，因此研究Na+浓度对厌氧体系产气性能的影响，从而对提高原料的利用率、沼气产量、CH4的百分比具有重要的意义。可为提供厌氧体系中适宜的Na+浓度，促进厌氧工艺的推广和应用具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试厌氧发酵污泥采集自永安燃气灶具有限公司稻草厌氧发酵剩余的污泥，将采集的污泥放置在自封袋中，于4℃冰箱中保存。

试验所用的试剂，包括：尿素、磷酸二氢钾、葡萄糖、氢氧化钠和硝酸，均为分析纯试剂，购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2 研究方法

1.2.1污泥的驯化

厌氧发酵实验系统启动之前，必需向厌氧反应体系中加入厌氧微生物作为接种物，故此需将采集到的污泥进行驯化。本试验以葡萄糖（碳源）、尿素（氮源）和磷酸二氢钾（磷源）为营养源对来自黑暗条件下的稻草发酵剩余污泥在38℃恒温水浴锅（HH-4数显，国华电器有限公司）中光照条件（白天自然光、晚上日关灯）下进行驯化。具体步骤如下：取来自黑暗条件下的稻草发酵剩余污泥放入1.5 L纯净水瓶中，加入葡萄糖、尿素及磷酸二氢钾，旋紧瓶盖，每天进行摇晃，并将产生的沼气通过旋瓶盖松紧进行排出，重复操作，直至没产气量或产气量极少时（可忽略），此时污泥驯化完毕。

1.2.2试验处理

以500 mL平底烧瓶作为反应容器，向平底烧瓶中加入经驯化过的污泥250 mL，塞好已事先做好了的塞子，接好导气管及集气瓶、取样管也即加料管，放在38℃恒温水浴锅中，设置黑暗和光照处理，每个处理重复3次。黑暗处理是以黑色布套套住反应容器，使反应体系持续维持黑暗条件；光照处理是将反应容器白天暴露在光照中，夜晚打开日光灯，维持反应体系为光照条件。反应体系建立好后，进行产气特性研究试验，总共进行4次试验，每次试验培养周期均为20 d（培养至20 d时基本已不产气）步骤如下：

第1次实验：在建立好了的体系中，加入葡萄糖、磷酸二氢钾及尿素为营养源，并每天加入5 mol/L的NaOH溶液（维持反应体系pH为中性条件），记录整个过程产气量、产气周期、甲烷产量；直至不产气；第1次实验完毕；

第2次试验：在第一次实验完毕的反应体系中加入萄糖、磷酸二氢钾及尿素为营养源，并每天加入5 mol/L的NaOH溶液（维持反应体系pH为中性条件），记录整个过程产气量、产气周期、甲烷产量；直至不产气；第2次实验完毕。以此循环进行，进行4次试验。

1.2.3产气量及甲烷含量测定

（1）产气量的测定

反应产生的气体由上连接管导入装满饱和食盐水的集气瓶，在集气瓶上部产生压力将饱和食盐水压入量筒中，量筒中水的体积即为反应所产生沼气的体积。产沼气量测定方法为：排饱和食盐水等价法。沼气收集装置如图1所示。

（2）甲烷含量的测定

甲烷百分比的测定通过连接口及两开关控制，用沼气分析仪 （Gasboard-3200，武汉四方光电科技有限公司）测定。每次测定前，都将集气装置取下，换上备用的集气装置，测完取下的集气装置中沼气中甲烷的百分比后，将此及其装置作为下一个的备用集气装置，依此轮流测定。

1.2.4反应体系pH的测定及调节

反应器（小试）放在38℃的恒温水浴锅中，反应过程中由直伸反应器底部的长玻璃管取样测定pH及调节pH。用精密pH试纸（Q/GHSC1571-2006精密pH试纸，上海三爱思试剂有限公司）测定反应体系pH，用5 mol/L氢氧化钠溶液调节体系pH为中性，在每次测定之前和加入氢氧化钠溶液之后均摇匀反应器，使体系中沼液充分混合。

1.2.5 Na+浓度的测定及方法

在每次试验结束时采集水样，将采集的水样以3 000 r/min离心15 min（L-420，湖南湘仪离心机仪器有限公司），取上清液用滤纸过滤（中速定量滤纸，杭州特种纸业有限公司），用（1+1）硝酸把溶液酸度调节至 pH＜2，用 ICP-OES（Optima2000DV，PerkinElmer）测定钠离子浓度。

图1 排饱和食盐水水法收集沼气装置

1.3 数据分析

采用Sigmaplot12.5和SPSS软件进行数据统计和作图。每个处理有3个重复，试验结果以3个重复的平均值±方差（SD）的形式来表示。

2 结果与分析

2.1 不同试验处理体系Na+浓度

在4次试验过程中，在体系中都加入了NaOH溶液调整反应体系的pH为中性。结果表明，在整个厌氧发酵过程中，为了调节光照条件和黑暗条件下体系的pH，在这两个光照条件下所加入的NaOH溶液的量是一致的。在每次试验结束时，测定的体系的Na+浓度如图2所示。试验结果表明，试验开始后体系Na+离子浓度要显著高于体系原始样（p＜0.05），说明经过驯化后的污泥，在光照和黑暗条件下均进行了明显的厌氧发酵过程，导致体系的pH降低，需要通过添加NaOH溶液维持反应体系pH为中性。随着试验次数的增加，Na+浓度会在体系中逐渐累积，呈现出显著增加的趋势。

2.2 Na+浓度对光照和黑暗条件下沼气产量的影响

图2 不同试验处理体系Na+浓度

图3为不同培养处理在不同光照条件下的沼气产量。由图3可知，Na+浓度为 1 912.7～5 577.6 mg/L时，光照条件和黑暗条件下，沼气产量均要大于Na+离子浓度为 80.3～1 912.7 mg/L 和 5 577.6～7 410.0mg/L时。光照条件下，第3次培养期间的累计产气量要显著大于第1次、第2次和第4次，黑暗条件下也同样在第3次培养期间出现最大值。由图2还可知，光照条件下的产气量要明显要大于黑暗条件下的产气量，其中光照条件下的20 d累计产气量为833.8～1 620.0 mL，黑暗条件下的20 d累计产气量为468.5～654.0 mL，Na+存在对黑暗条件下的厌氧发酵产气的影响要明显大于光照条件。以上结果说明厌氧发酵体系Na+离子浓度对产沼气量影响很大，低和过高浓度的Na+离子对产气均有抑制作用，从本研究结果看，体系的Na+浓度为3 745.2～5 577.6 mg/L时对光照和黑暗条件下的产气量效果最好。

光照条件下，第2次（第2d～第8d产气）和第3次培养（第3d～第9d产气）沼气的产气速率明显要比第一次（第2d～20天）和第 4次（第 2d到第18d）培养快（图3（a）），说明低浓度和高浓度Na+离子浓度对光照厌氧发酵体系产气和产气速率起抑制作用。此外，在黑暗条件下，第3次和第4次培养的产气速率要明显快与第1次和第2次培养，说明高浓度的Na+浓度 （3 745.2～7 410.0 mg/L）可以促进黑暗条件下的产气速率，但综合对产气量影响的结果，黑暗条件下Na+离子浓度为3 745.2～5 577.6 mg/L具有较好的产气量和产气速率。综合分析表明，不论在光照还是黑暗条件下，Na+离子浓度为3 745.2～5 577.6 mg/L均具有较好的产气量和产气速率，可成为厌氧发酵体系Na+浓度的选择。

图3 不同试验处理在条件下的沼气产量

2.3 Na+浓度对光照和黑暗条件下CH4产量的影响

图3为不同培养处理在不同光照条件下的厌氧发酵体系CH4产量。与沼气产量结果相似，光照条件下，第3次培养期间的累计产CH4量（271.9 mL）要显著大于第1次、第2次和第4次，黑暗条件下也同样在第3次培养期间出现最大值（83.9 mL）。光照条件下的累计产CH4量大于黑暗条件下累计产 CH4量（图 4(a)）。

在4次光照培养期间，产CH4量占产沼气的比例分别为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），由此可见在 Na+浓度为 3 745.2～5 577.6 mg/L期间产CH4量占产沼气的比例最大，明显大于其他批次处理。在黑暗培养期间也发现了一样的结果，说明了Na+浓度对沼气中CH4含量比例的影响很大，以此影响了CH4的产量。从本研究结果看，体系的Na+浓度为3 745.2～5 577.6 mg/L时对光照和黑暗条件下的产CH4效果最好（图4(b)）。

钠盐对微生物体具有很强的生理作用。实验刚开始阶段体系中的钠离子浓度较低，随着不断的添加氢氧化钠溶液，使体系中的钠离子浓度逐渐增大，促进了体系中厌氧菌的呼吸代谢，提高了沼气产量、及甲烷量，同时也增大了产气速率；当钠离子达到了一定的浓度时，干扰厌氧菌细胞膜的通透性、阻碍氨基酸的吸附、降低酶的活性，相应地降低了沼气产量及甲烷产量，同时也降低了产气速率。这是造成不同Na+离子浓度在本试验中产沼气和CH4量差异的重要原因，就本试验而言，Na+浓度最适浓度区间为：3745.16～5 577.58mg/L，光照条件下的产沼气和CH4量要优于黑暗条件处理。

图4 不同试验处理在条件下的CH4产量

3 结论

Na+浓度可通过影响三磷酸腺苷的形成或核苷酸的氧化以及影响微生物的代谢等途径对厌氧发酵体系产气性能产生影响。在制取沼气的主要原料中普遍存在着大量的Na+离子，因此研究Na+浓度对厌氧体系产气性能的影响，具有重要的现实意义。研究结果表明，不论在光照还是黑暗条件下，Na+离子浓度为3 745.2～5 577.6 mg/L均具有较好的产气量、产气速率和产CH4量，厌氧发酵体系Na+离子浓度为3 745.2～5 577.6 mg/L可成为Na+浓度的最适浓度区间的选择。研究结果为促进厌氧工艺的推广和应用具有一定的研究意义。

参考文献：

［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］陈晋波．微量金属元素对提高沼气产量的研究［D］．济南：山东轻工业学院，2010．

［3］ 夏亚穆，常亮，王伟．厌氧消化过程抑制因素的研究进展［J］．化学与生物工程，2009，26（10）：5－8．

［4］吕映辉．提高产甲烷菌活性的应用研究［D］．济南：山东轻工业学院，2007．

［5］施华均，钱泽澍，闵航．硫酸盐对厌氧消化产甲烷的影响［J］．浙江大学学报（农业与生命科学版），1995（zj）：27－32．

［6］ 陈坚，任洪强，堵国成，等．环境生物技术［J］．中国生物工程杂志，2001，21（5）：18－22．

［7］ 陈广银，郑正，邹星星，等．光照对互花米草厌氧消化过程的影响［J］．环境化学，2009，28（5）：640－644．

［8］史家梁，翁稣颖，徐亚同．光合细菌在废水处理中的应用及菌体的综合利用［J］．微生物学通报，1981，8（4）：36－38．

［9］ 刘如林．光合细菌在有机废水处理中的应用［J］．环境科学，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，郝小龙，俞汉青．Na＋离子浓度对厌氧发酵产氢气影响的实验研究［J］．水处理技术，2004，30（5）：270－272．

（责任编辑：朱联九）

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

福建省自然科学基金项目（2014J01136）；三明学院引进高层次人才科研启动经费（16YG02）；福建省大学生创新性实验计划项目（ZL1123/CS）

陈春乐，男，福建长乐人，讲师。主要研究方向：环境污染与修复。通讯作者：张严，男，广东平远人，副教授。主要研究方向：有害藻类的植物化感抑制技术。