氯化鈉對餐廚垃圾厭氧發酵產沼氣影響

陶治平， 趙明星， 阮文權

（江南大學 環境與土木工程學院，江蘇 無錫 214122）

無機鹽在微生物的生長過程中起著促進酶反應、維持膜平衡和調節滲透壓的重要作用。但鹽濃度過高會對微生物的生長產生抑制作用。主要原因在于[1]:鹽濃度過高時高滲透壓會使微生物細胞脫水引起細胞原生質分離，高鹽情況下因鹽析作用使脫氫酶活性降低。有研究認為，鹽對微生物的作用主要是Na+毒性，反應體系中Cl-含量基本保持不變[2]。Na+脅迫對細胞的毒害作用通常被認為是由于Na+會爭奪Mg2+的蛋白質結合電位而導致相應的蛋白質失活，同時由于細胞具有吸Na+排K+的性能，可能進一步加劇這種毒害作用[3]。同時還有研究認為，Na+有助于合成三磷酸腺苷或者促進NADH的氧化，有利于微生物的代謝[4]。鹽對廢水處理系統的影響根據廢水的性質和工藝情況的不同而有所差異。有研究者用CASS法處理含鹽廢水發現，Cl-超過8 100 mg/L時，COD去除率仍保持在80%以上，Cl-質量濃度在6 300 mg/L的系統可以穩定運行[5]。

相對于填埋、焚燒、堆肥和飼料化等處理方式，采用厭氧消化技術處置餐廚垃圾不僅處理成本較低，環境友好，而且可以實現餐廚垃圾的資源化，產生清潔能源沼氣[6]。厭氧發酵的應用很廣泛，因此影響因素也很多[7]。餐廚垃圾來自于人們的日常生活，其中鹽含量會隨著各地生活習慣的不同而有所差異。餐廚垃圾中鹽含量對厭氧發酵產沼氣效率有較大影響，王敦[8]研究單級厭氧消化處置餐廚垃圾時，發現pH為8時Na+毒性最高。彭緒亞[9]研究高鹽分餐廚垃圾濕式單級厭氧消化時，發現對于Na+毒性而言，底物為混合酸時50%IC質量濃度為4 000 mg/L，而單獨以乙酸為底物時IC質量濃度可達10 000 mg/L。Kim[10]研究鹽對厭氧產氫的影響時，發現高鹽分可以改變微生物代謝途徑，促進乳酸產生而抑制丁酸產生。

目前研究鹽分對餐廚垃圾厭氧消化的影響，主要集中在確定厭氧發酵適宜的鹽濃度及鹽分對產氣量的影響，但對產氣變化的具體原因分析較少。作者通過對餐廚垃圾發酵過程有機酸含量和酶活變化研究，從代謝過程及酶學角度分析氯化鈉對餐廚厭氧發酵產氣變化的影響，以確定氯化鈉對餐廚垃圾厭氧發酵影響的機理。分析了不同氯化鈉濃度下餐廚垃圾厭氧發酵過程，探討氯化鈉濃度對產沼氣、酶活、代謝產物等的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

餐廚垃圾:取自蘇州市江蘇潔凈環境科技有限公司；厭氧產甲烷菌種:取自該公司厭氧發酵罐。餐廚垃圾和產甲烷菌種的主要性質見表1。

表1 餐廚垃圾和產甲烷菌種主要性質Tab.1 Characterization of the kitchen wastes and methane-producing bacteria

1.2 實驗方法

采用序批式發酵法，在600 mL血清瓶中加入餐廚垃圾和產甲烷菌種（TS比1∶1），分別向各組分中添加 NaCl質量濃度為 2、5、10、20、30 g/L，以不添加的為對照。血清瓶中充10 min氮氣維持厭氧狀態后進行厭氧發酵。

實驗裝置采用產甲烷潛力自動分析儀見圖1，血清瓶至于35℃的分析儀中進行發酵，氣體體積由計量軟件統計。

圖1 產甲烷潛力自動分析儀Fig.1 Automatic methane potential test system

1.3 分析方法

SCOD:重鉻酸鉀法[11]；TS、VS:質量法[12]；碳水化合物:苯酚-硫酸法[13]；蛋白質:凱氏定氮法[14]；脂肪:索氏提取法[15]。

1.3.1 鹽分測定 Metrohm 883全自動離子色譜儀測定Cl-濃度[16]。色譜柱:Metrohm A Supp 5-150陰離子交換柱 （250 mm×4 mm），Metrosep A Supp 4/5保護柱；淋洗液:3.2 mmol/L Na2CO3加入1.0 mmol/L NaHCO3；流速:0.7 mL/min；再生液:100 mmol/L H2SO4；進樣體積:20 μL。

1.3.2 有機酸測定 液相色譜儀 （Agilent1100，美國），柱子為ZORBAX SB-Aq柱，柱長150 mm×4.66 mm，5 μm； 流動相:10%乙腈、 乙腈、0.26 mol/L NaH2PO4，調pH 至 4；流速:1 mL/min ；進樣量:20 μL；柱溫:30 ℃；檢測器:紫外檢測器（210 nm）。

1.3.3 脫氫酶活性測定 采用2-3-5-triphenyltetrazolium chloride（TTC）為底物經脫氫酶催化還原反應后生成紅色產物TTCH2-trifenylformazane（TF），TF顏色的深淺反映脫氫酶活性的高低[17]。

1.3.4 模型分析 利用Cheynoweth等人[18]提出的生物質厭氧消化過程產沼氣動力學方程B=B0（1-e-kt）進行數據分析。其中:B為沼氣產量；B0為沼氣最終產量；k為反應速率常數。模型采用origin進行數據擬合。

2 結果與討論

2.1 氯化鈉添加量對產沼氣量的影響

添加不同氯化鈉的各反應組產氣情況見圖2。由圖2可知，產沼氣過程主要發生在第4～17天，從第17天后沼氣量變化不大。各組產氣速率都呈先增加后穩定的趨勢。通過與對照組比較發現，當加入2 g/L氯化鈉時對產氣量影響不大，最終產氣量為330 mL/g（VS），與對照組差別不大；當添加氯化鈉濃度為5 g/L時，反應組沼氣產量最大，為355 mL/g（VS），比對照組提高7.5%。但添加氯化鈉質量濃度再提高時，產氣量反而呈現下降趨勢。當添加氯化鈉質量濃度大于10 g/L時，對產氣影響較大，添 加 10、20、30 g/L 時 氣 體 產 量 為 293、263、167 mL/g（VS），比對照組分別減少了 17%、24%、51%。

圖2 添加不同質量濃度氯化鈉餐廚垃圾產沼氣情況Fig.2 Biogas production from food waste under adding different concentration of sodium chloride

Rinzema[19]認為，當Na+低于5 g/L時對厭氧發酵影響較小，當Na+為5 g/L時抑制10%產甲烷活性，當Na+為10 g/L時抑制50%產甲烷活性。本研究結果也表明:低質量濃度的氯化鈉對餐廚垃圾厭氧發酵影響較小，而高質量濃度氯化鈉抑制沼氣產量。作者同時研究了高氯化鈉質量濃度下餐廚垃圾厭氧發酵產沼氣的情況，為高鹽情況下餐廚垃圾厭氧發酵提供了一定的理論基礎。氯化鈉對餐廚垃圾厭氧發酵產沼氣具有“低促高抑”效應，一定的氯化鈉質量濃度可以促進微生物的活性，然而高質量濃度的氯化鈉對微生物帶來明顯抑制效應。

一些研究者報道了有關生物質產沼氣的動力學研究[20]，認為在厭氧消化過程中，生物質產沼氣過程遵循一級反應。將產氣數據進行Cheynoweth方程擬合，得到動力學方程各參數，見表2，各個反應體系的數據與擬合模型的相關系數（R2）都大于0.96。由此可見，模型與試驗的相關性比較高，能夠很好地反映厭氧發酵過程中甲烷的產生過程。由表2可以看出，隨著氯化鈉質量濃度的增加，每克VS餐廚垃圾的產沼氣潛力B0先上升后下降，B0值在5 g/L氯化鈉時達到最大值399，在30 g/L氯化鈉時僅為192 mL，而反應速率常數k值范圍為0.090～0.133 d-1。不同氯化鈉質量濃度下，B0先上升后下降，從另一方面說明了氯化鈉質量濃度對餐廚垃圾產沼氣有較大的影響，呈現“低促高抑”的現象。

表2 餐廚垃圾厭氧發酵一級反應速率常數（Cheynoweth方程）Tab.2 Reaction rate constant of food waste anaerobic fermentation（Cheynoweth Equation）

2.2 餐廚垃圾厭氧發酵過程中代謝產物變化

圖3為添加不同氯化鈉質量濃度下餐廚垃圾代謝產物的變化情況。由圖3可知，各個反應組中的代謝產物質量濃度隨反應時間都呈現先上升后下降的趨勢。低氯化鈉質量濃度組（添加氯化鈉質量濃度10 g/L及以下）有機酸質量濃度在反應的第9天達到最大，而高氯化鈉質量濃度組（添加氯化鈉20、30 g/L），有機酸總量在第13天才到達最大。低氯化鈉質量濃度組在第9天總有機酸質量濃度達到最大，為 8 264、8 319、8 273、7 864 mg/L，而高氯化鈉質量濃度組（20、30 g/L）有機酸量只有7 143、7 107 mg/L，比對照組分別減少了14%和16%。反應最終各組總有機酸質量濃度分別為4 851、5 007、5 129、5 264、6 584、6 896 mg/L，低氯化鈉各組有機酸分別比最大值降低了41.3%、39.8%、38%、33.1%，而高氯化鈉組有機酸僅降低了8.6%和3.8%。

圖3 添加不同質量濃度氯化鈉時反應各組代謝產物的變化Fig.3 Metabolites changes in anaerobic process under adding different concentration of sodium chloride

到反應最后，各體系中有機酸質量濃度也有所不同。低氯化鈉質量濃度組4種有機酸質量濃度為:乙酸＞丁酸＞乳酸＞丙酸，而高氯化鈉質量濃度組有機酸質量濃度為:乙酸＞丁酸＞丙酸＞乳酸。高氯化鈉體系中丙酸代謝被促進，乳酸代謝受影響。在4種有機酸中，乳酸和丙酸質量濃度相對較少，但在氯化鈉質量濃度為20、30 g/L兩組時，丙酸呈現累積的趨勢，最終體系中丙酸占總有機酸含量達到25%。

相對于低氯化鈉質量濃度各組有機酸代謝，高氯化鈉質量濃度組有機酸質量濃度達到最大值所需的時間滯后，且反應后期體系中有機酸出現了酸累積現象。高質量濃度的氯化鈉可能抑制水解微生物的水解功能，使得在高氯化鈉組有機酸質量濃度達到最大的時間較低氯化鈉組延遲；高質量濃度的氯化鈉可能同時對產甲烷菌有抑制，降低其轉化酸的能力，發生酸累積效應；高質量濃度氯化鈉有利于丙酸的生成。Kim等[9]研究認為，突然的鹽度變化會改變微生物的代謝作用，使發酵液中乳酸含量增加，丁酸含量減少。Barredo等[21]指出當丙酸質量濃度為1 100～2 220 mg/L時，產甲烷菌的數量隨丙酸濃度的上升而呈二級指數下降。他雖然發現了這種現象但并未對其原因進行解釋。作者試圖從酶學和代謝影響的角度進行分析，考察氯化鈉對餐廚垃圾厭氧發酵產沼氣量時，發現產氣量變少的原因，可能是產生了丙酸的積累，而丙酸積累對產甲烷菌活性產生了抑制。

2.3 餐廚垃圾厭氧發酵過程中COD變化

在實驗中SCOD呈現先上升后下降的趨勢，見圖4。由圖4可知，當添加氯化鈉質量濃度為2、5、10 g/L時，SCOD在第9天達到最大值，為31 963、31 448、31 632 mg/L，與對照組的 31 346 mg/L相差不大，而添加氯化鈉質量濃度為 20、30 g/L時，SCOD在第13天達到最大值，為29 009、25 580 mg/L。反應體系最終的SCOD隨添加氯化鈉質量濃度的升高而不斷升高。分析圖3和圖4可知，SCOD的變化趨勢與有機酸變化趨勢較一致，表明隨著有機物的不斷水解酸化，SCOD不斷升高。高氯化鈉質量濃度各組由于水解微生物受到抑制，微生物適應高鹽質量濃度需要一定時間，因此到水解酸化作用時間較低氯化鈉組長，SCOD達到最大值的時間較晚。

圖4 添加不同氯化鈉濃度各組SCOD變化情況Fig.4 SCOD changes under adding different concentration of sodium chloride

分析圖4可知，添加氯化鈉質量濃度較低時對餐廚垃圾厭氧發酵影響不大，添加高氯化鈉質量濃度時可能水解微生物受到抑制，有機物不能水解，效率降低，同時產甲烷微生物活性也受到抑制。

2.4 氯化鈉對產甲烷過程微生物脫氫酶活性的影響

脫氫酶是已知酶中種類最多的一類，生物體中絕大多數氧化還原反應都是在脫氫酶及氧化酶的催化下進行，脫氫酶作為一種胞內酶與細胞內的氧化磷酸化過程緊密相關[22]，是反映厭氧發酵體系中微生物活性的一個重要指標[23]。對餐廚垃圾厭氧發酵體系中脫氫酶活性進行測定，結果見圖5。反應體系中各組脫氫酶的活性都呈先上升后下降的趨勢。由圖5可知，各組脫氫酶的活性在第13天時達到最大，為 6 214.8、6 312.9、6 054.6、5 018.9、3 158.9、3 016.4 μg/TS，但隨后脫氫酶活性不斷下降。添加2、5 g/L時氯化鈉組脫氫酶活性基本不受影響，添加10 g/L組脫氫酶活性比對照降低15%，添加氯化鈉質量濃度為20、30 g/L兩組，相對對照組脫氫酶降低60%。

有研究認為，反應體系中鹽度的增加，鹽析作用增強，從而使脫氫酶的活性下降，微生物活性受阻，新陳代謝作用減緩[1]。本實驗中脫氫酶活性在低氯化鈉組時影響較小，高鹽組時受影響較大。Woolard[24]研究SBR處理高鹽廢水時發現，高鹽質量濃度會抑制脫氫酶的活性。鹽對餐廚垃圾厭氧發酵的影響可能是鹽分影響了微生物的脫氫酶活性，從而影響了有機物的水解以及微生物對有機物的降解，使得產氣量有所減少。

圖5 添加不同鹽質量濃度各組脫氫酶活性的變化Fig.5 Dehydrogenase enzyme activity changes under adding different concentration of sodium chloride

3 結語

考察了氯化鈉質量濃度對餐廚垃圾厭氧發酵產沼氣的影響。研究表明，低質量濃度氯化鈉對餐廚垃圾厭氧發酵影響不大，高質量濃度則有抑制效應。氯化鈉質量濃度對餐廚垃圾厭氧發酵過程中的代謝產物量和酶活有影響。實驗結果表明:添加2 g/L氯化鈉對產氣基本沒有影響；添加5 g/L的氯化鈉促進產氣量，比對照組提高7.5%；添加10、20、30 g/L時，沼氣量分別減少17%、24%、51%，屬于輕度抑制、中度抑制和重度抑制；低氯化鈉組第9天有機酸技師濃度達到最大，氯化鈉質量濃度為20、30 g/L時，第13天有機酸含量達到最大，同時出現酸積累現象，且其中丙酸含量達到25%，丙酸累積可能是產氣變少的原因之一；餐廚垃圾中SCOD呈現先上升后下降的趨勢，反應體系最終的SCOD隨氯化鈉質量濃度的升高而升高；添加2 g/L的氯化鈉提高脫氫酶的活性，氯化鈉質量濃度超過5 g/L時脫氫酶活性受到較大影響，20、30 g/L兩組脫氫酶比對照降低約60%。

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