洛克沙砷對不同底物厭氧消化過程的影響

馮晶晶　余碩果　余存和　唐睿

摘要：本研究分別采用蛋白質(zhì)（奶粉）、玉米淀粉（淀粉）和棉花（纖維素）作為底物，探究洛克沙胂對不同底物厭氧消化的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，洛克沙胂幾乎不影響厭氧產(chǎn)酸過程。但是高濃度洛克沙胂（100 mg/L）對三種底物的厭氧產(chǎn)甲烷過程均表現(xiàn)出嚴重的抑制。以奶粉為底物的厭氧產(chǎn)甲烷過程對低濃度洛克沙胂（50 mg/L）具有較高的耐受性。

關(guān)鍵詞：厭氧消化；洛克沙胂；底物

畜禽養(yǎng)殖廢水是典型的高濃度有機廢水，其有機物組成主要有蛋白質(zhì)和糖類（淀粉和纖維素類物質(zhì)等）[1]。厭氧生物技術(shù)具有高有機負荷率、低成本的優(yōu)點，因而常用于處理高濃度畜禽養(yǎng)殖廢水。洛克沙胂作為常見的畜禽飼料添加劑，最終排放到畜禽養(yǎng)殖廢水中。但是洛克沙胂的存在，會影響到厭氧生物處理的穩(wěn)定性和處理效能[2] [3]。然而，不同有機底物的厭氧消過程對洛克沙胂及其降解產(chǎn)物的耐受程度差異缺乏相關(guān)研究。本文通過間歇實驗，分別考察了洛克沙胂對蛋白質(zhì)、淀粉和纖維素厭氧消化過程的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗設計

實驗采用250 mL的具塞鹽水瓶作為厭氧反應器，其中有效部分為200 mL。分別選取奶粉（蛋白質(zhì)）、玉米淀粉和棉花（纖維素）作為厭氧消化底物，底物濃度統(tǒng)一設置為7 g/L。對于每種底物，分別添加三個濃度梯度的洛克沙胂，研究其對不同底物厭氧消化過程的影響，如表1所示。此外，為保證實驗運行穩(wěn)定，各厭氧小瓶接種30 mL種泥（取自某市政污水處理廠），補充1 mL微生物生長所必需的微量元素溶液[4]，調(diào)節(jié)初始消化液 pH值至7.5左右。然后，利用氮氣趕走小瓶中氧氣，創(chuàng)造厭氧條件。最后，封瓶，放在35℃的溫度下培養(yǎng)。

實驗中定期取樣檢測。主要測試項目包括生物產(chǎn)氣體積及成份、揮發(fā)性脂肪酸（VFA）、蛋白質(zhì)和NH4+-N含量及TS、VS及含水率。檢測方法參照標準方法 [5]。

2 結(jié)果與分析

2.1 洛克沙胂對三種底物厭氧產(chǎn)酸過程的影響

三種不同底物的厭氧產(chǎn)酸過程如圖1所示。實驗的第一周，各實驗組VFA水平迅速上升至峰值。此階段，對照組（NR0、YR0和MR0）與實驗組的VFA的生成趨勢類似。但棉花組的VFA產(chǎn)量明顯低于奶粉和玉米淀粉組，證實纖維素難以厭氧降解。一周后，各組結(jié)果差異較大，對照組（NR0、YR0和MR0）的VFA迅速消耗，添加100 mg/L洛克沙胂組的VFA保持穩(wěn)定，無明顯消耗。這說明高濃度洛克沙胂（100 mg/L）對三種底物的厭氧產(chǎn)甲烷過程都造成了嚴重的抑制，使產(chǎn)生的VFA無法轉(zhuǎn)化生成甲烷。對于添加50 mg/L洛克沙胂組，三種底物的厭氧產(chǎn)酸過程有所差異。以奶粉為底物的實驗組在20天后，VFA迅速下降并穩(wěn)定在約800 mg/L，而以玉米淀粉和棉花為底物的實驗組僅有略微降低。這表明以蛋白質(zhì)為底物的厭氧消化對洛克沙胂具有更高的耐受性，經(jīng)過短時間的馴化，產(chǎn)甲烷活性可以恢復。而以糖類（淀粉和纖維素）為底物的厭氧消化容易遭受洛克沙胂抑制，并產(chǎn)生酸積累，進一步抑制厭氧產(chǎn)甲烷過程。

2.2 洛克沙胂對奶粉（蛋白質(zhì)）厭氧降解的影響

圖2描繪了以奶粉為底物的實驗組中NH4+-N含量的變化。厭氧消化前7天，NH4+-N含量急速增加，隨后變緩，12天后趨于穩(wěn)定。厭氧消化初期，添加洛克沙胂組的NH4+-N含量要高于NR0，但VFA產(chǎn)量大致相當。這可能是洛克沙胂促進了蛋白質(zhì)的厭氧降解。12天后，NR0、NR1和NR2組的NH4+-N含量基本穩(wěn)定在同一水平，說明洛克沙胂基本沒有對蛋白質(zhì)的降解產(chǎn)生抑制，降解蛋白質(zhì)類物質(zhì)的菌群對洛克沙胂的毒性有很強的適應性。

2.3 洛克沙胂對三種不同底物厭氧產(chǎn)甲烷過程的影響

圖3分別展示了三種底物的厭氧消化過程中每日的甲烷產(chǎn)量。以奶粉為底物時（圖3a），實驗第1天，NR1和NR2組的甲烷日產(chǎn)量（7 mL、8 mL）均高于NR0（5 mL），但是相差并不大。第3天后，NR0、NR1和NR2組的甲烷日產(chǎn)量差異顯著（其中NR0當天甲烷產(chǎn)量為28.3 mL/g/d，實驗組NR1和NR2分別為17.5和10.8 mL/g/d）。添加洛克沙胂組在第3天達到最高峰后逐漸減少，而對照組繼續(xù)增加至第6天達到最大值。NR0和NR1產(chǎn)甲烷均持續(xù)了45天，而NR2產(chǎn)甲烷在第8天時受到完全抑制，說明高濃度洛克沙胂對產(chǎn)甲烷造成消極影響。以玉米淀粉為底物時（圖3b），所有組甲烷日產(chǎn)量都在第3天出現(xiàn)第一個峰值，隨后YR0和YR1分別在第12天和第32天出現(xiàn)了第2個峰值，YR2在第10天后停止產(chǎn)氣。這表明100 mg/L洛克沙胂對玉米淀粉的厭氧產(chǎn)甲烷造成了嚴重抑制，50 mg/L洛克沙胂對玉米淀粉的厭氧產(chǎn)甲烷也有一定抑制，經(jīng)過馴化后，產(chǎn)甲烷活性略有恢復。以棉花為底物時（圖3c），MR0、MR1和MR2的甲烷日產(chǎn)量分別在第10、7和5天達到峰值（MR0：13.16 mL/g/d；MR1：4.48 mL/g/d和MR2：1.60 mL/g/d）。隨后，MR1和MR2在20天后受到洛克沙胂的嚴重抑制，停止產(chǎn)氣。

圖4分別展示了三種底物厭氧消化過程甲烷的累積產(chǎn)量。添加洛克沙胂組的累積產(chǎn)甲烷量和最大產(chǎn)甲烷速率均低于相應的對照組（NR0、YR0和MR0），表明洛克沙胂對產(chǎn)甲烷活性造成了嚴重抑制。厭氧消化結(jié)束后，以奶粉、玉米淀粉和棉花為底物的厭氧消化器中添加50 mg/L洛克沙胂濃度組累積的產(chǎn)甲烷量分別為152.9 mL，115.9 mL和35.7 mL，相比于相應的對照組（302.4 mL、260.7 mL、236.0 mL），分別減少49.4%，55.5%，84.9%；而100 mg/L添加洛克沙胂組的累積產(chǎn)甲烷量分別為34.6 mL（NR2），36.6 mL（YR2）和7.2 mL（MR2），相比于相應的對照組，分別減少88.6%，86.0%，96.9%。綜上可知，以纖維素為底物的厭氧消化過程最易受到洛克沙胂的影響，其次是淀粉，而以蛋白質(zhì)為底物的厭氧消化對洛克沙胂具有較好的耐受性。

3 結(jié)論

本實驗研究了洛克沙胂對三種不同底物（奶粉、玉米淀粉和棉花）厭氧消化過程的影響。厭氧產(chǎn)酸過程幾乎不受洛克沙胂影響。但是高濃度洛克沙胂（100 mg/L）對三種底物的厭氧產(chǎn)甲烷過程均表現(xiàn)出嚴重的抑制。以奶粉為底物的厭氧產(chǎn)甲烷過程對低濃度洛克沙胂（50 mg/L）具有較高的耐受性。

參考文獻：

[1] Barker JC，Overcash MR. Swine waste characterization：A review. Transactions of the Asabe，2007，50（2）：651-657

[2] 廖巧霞. 洛克沙胂在養(yǎng)殖業(yè)中的應用[J]. 廣東獸牧獸醫(yī)科技，2005，30（4）：9.

[3] Dupla M，Conte T，Bouview J C，et al. Dynamic evaluation of a fixed bedanaerobic-digestion process in response to organic overloads and toxicant shockloads[J]. Water Science and Technology. 2004，49（1）：61-68

[4] Hu ZH，Yu HQ，Zhu RF. Influence of particle size and pH on anaerobic degradation of cellulose by ruminal microbes [J]. Int Biodeterior Biodegrad，2005，55（3）：233-238.

[5] 國家環(huán)境保護總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會. 水和廢水監(jiān)測分析方法

基金項目：

安徽省科技攻關(guān)計劃項目（1501041130）。

作者簡介：

馮晶晶，女，安徽省六安市排水有限公司，主要研究污水和污泥處置；

余碩果，男，安徽省六安市排水有限公司，主要研究污水和污泥處置；

余存和，男，安徽省六安市排水有限公司，主要研究污水和污泥處置；

唐 睿，男，博士生，合肥工業(yè)大學，主要研究廢水處理及砷污染控制。