金霉素對豬場廢水厭氧消化抑制作用

孫建平，鄭 平，胡寶蘭

(1.浙江大學環境與資源學院，杭州310029;2.浙江樹人大學生物與環境工程學院，杭州310015，jianpingsun@163.com)

集約化畜禽養殖廢水已被全球各國公認為造成地表水體富營養化污染的重要貢獻者，養殖廢水的處理已成為目前畜禽養殖場最關鍵也是最難操作的問題［1－2］.厭氧處理是豬場廢水處理有效的方法，但是豬場廢水中除了含有較高質量濃度的有機物和高氨氮外，還含有抗生素、重金屬等抑制劑，這部分成分也會給廢水生物處理特別是厭氧生物處理帶來較大的負面影響［3－9］.豬場常用的阿莫西林對厭氧消化具有較強的抑制作用，10 mg/L的阿莫西林可以使最大容積產甲烷速率降低60%，在阿莫西林存在下水解發酵易成為限速步驟［10］.也有研究表明當阿莫西林質量濃度為60 mg/L和120 mg/L時，豬場廢水厭氧發酵150 h后，產甲烷速率分別是對照的75%和68%［11］.盤尼西林和四環素對厭氧活性污泥活性也具有抑制作用，可以使豬場廢水厭氧消化的產甲烷速率分別降低35%和25%［12］.

四環素類抗生素是規模化養豬場常用的抗生素之一，具有較強的抗菌效應，但是對于此類抗生素在厭氧消化中的抑制作用卻少有研究.本文以典型的四環素類抗生素——金霉素為抑制劑，研究在豬場廢水的厭氧處理過程中，抗生素抑制的動力學特性，并確定厭氧消化抑制過程中的限速步驟，將有助于排除抗生素對厭氧生物處理的障礙，保證厭氧生物處理工程的正常運行.

1 實驗

1.1 化學藥品

金霉素為獸用藥劑，純度大于99%，購于杭州潔康工貿有限公司;蔗糖、丁酸鈉和乙酸鈉均為分析純，華東醫藥公司購得.試驗數據通過EXCEL2003軟件進行擬合.

1.2 試驗裝置

發酵試驗采用150 mL血清瓶，有效容積100 mL.瓶口用橡膠塞密封，橡膠塞上設置導管，將產生的氣體引入史氏發酵管，發酵管中充滿5%NaOH溶液，以吸收氣體中的CO2，計量氣體中的CH4.試驗裝置如圖1所示.

圖1 試驗裝置圖

1.3 基質和污泥

實際豬場廢水取自杭州某養殖場，廢水取回后投加NaOH調節pH值，對廢水中的抗生素進行消解.由于實際豬場廢水的COD質量濃度為5 800 mg/L，通過添加適量蔗糖和其他營養成分配制成一定的質量濃度梯度;模擬廢水以蔗糖為主要基質，同時按 COD比例投加適量的K2H3PO4、FeSO4、NaHCO3等配制而成;單基質廢水主要以蔗糖、丁酸鈉、乙酸鈉為主要成分，適量添加碳酸氫鈉調節pH值而成，廢水COD質量濃度梯度見表1.接種污泥取養殖場厭氧處理裝置，TCOD為 36.8 g/L，TSS為 37.8 g/L，VSS為31.5 g/L，VSS/TSS為0.833.為了消除殘留基質對試驗的影響，厭氧污泥用生理鹽水清洗3次，取15 mL分裝至每個血清瓶中.試驗前，將裝有接種污泥的血清瓶放入30℃恒溫室預培養1 d.

1.4 實驗方法

1.4.1 厭氧污泥抑制動力學試驗

有機物厭氧生物降解的動力學特性可以通過Monod方程進行表達［13］，因此，本試驗以Monod方程為基礎，通過甲烷產生速率確定相關動力學參數.Monod方程表征如下:

式中:q為比甲烷產生速率;qmax為最大比甲烷產生速率;KS為半速率常數.根據式(1)可得方程的雙倒數型式:

表1 廢水COD質量濃度梯度

對實驗結果進行線性回歸，求得直線斜率k，即在該段時間內的平均反應速率，由于時間間隔短，可認為k值是底物質量濃度為S的瞬時反應速率，可以求得6組有序實數對(S，k).利用雙倒數型式作圖可以分別求得不同抗生素抑制作用下的最大容積產甲烷速率和半速率常數.

在充氬氣保證厭氧狀態的條件下，取14個裝有15 mL厭氧污泥的血清瓶，分別注入85 mL不同COD質量濃度的模擬廢水，其中一半(7只)血清瓶注入10 mg/L金霉素(根據飼料添加劑中金霉素的含量確定)，作為實驗組;另一半(7只)不加金霉素，作為對照組.血清瓶放入30℃恒溫室培養，每天定時用手輕輕搖晃數次，每隔1，4，8，16，32 h記錄甲烷產量.上述試驗設置3組平行試驗，計算產甲烷量的平均值作為試驗值.

1.4.2 厭氧消化限速步驟試驗

通常認為，厭氧消化過程可分為3個階段:水解發酵階段、產氫產乙酸階段和產甲烷階段(圖2)［14］.

圖2 厭氧消化過程

對于易降解有機物，產甲烷階段通常被認為是厭氧消化的限速步驟.果真如此，則在基質充分的情況下，厭氧消化速度取決于產甲烷速度，反應(3)～(5)的速度相等.若不相等，則可根據具體情形推斷限速步驟.

其中，qmax1、qmax2、qmax3分別為蔗糖基質、丁酸鹽基質和乙酸鹽基質的最大容積產甲烷速率.本試驗采用42個血清瓶，一半(21只)注入3種具有7個質量濃度梯度的單基質廢水以及10 mg/L金霉素，另一半用作對照.甲烷產量通過史氏發酵管測定.

2 結果和討論

2.1 金霉素抑制作用下厭氧消化動力學特性

通過對試驗結果的線性回歸得到基質質量濃度和反應速率的關系，見表2.利用Monod方程的雙倒數型式作1/q對1/S曲線，如圖3所示.根據曲線擬合結果得qmax=19.6 mL/(L·h)，而金霉素存在下1/q－1/S雙倒數曲線擬合結果為q′max=10.3 mL/(L·h).金霉素的存在使最大容積產甲烷速率降低了47.4%.

表2 基質質量濃度和反應速率關系

圖3 金霉素存在下1/q－1/S雙倒數曲線

2.2 金霉素抑制時厭氧消化限速步驟

根據對試驗結果的線性回歸得到關于速度和時間的線性方程，進而得到存在和不存在金霉素抑制作用下，基質質量濃度和反應速率的關系，見表3，4.

表3 金霉素不存在時不同基質COD質量濃度與反應速率關系

表4 金霉素存在時不同基質COD質量濃度與反應速率關系

利用Monod方程的雙倒數型式作1/q對1/S曲線，進而得到不同基質在抑制和無抑制作用下的最大產甲烷速率(qmax)和半速率常數(Ks).

由表5可知，在金霉素不存在時，蔗糖和丁酸鈉轉化為甲烷的速率相當，分別為17.6 mL/(L· h)和17.7 mL/(L·h)，略低于乙酸基質，此時產甲烷菌群是單基質代謝的敏感菌群，在沒有其他抑制成分存在時，基質質量濃度成為唯一的限制因子.但是，在同樣的操作條件下，向基質中投加10 mg/L金霉素時，蔗糖、丁酸鈉和乙酸鈉轉化為甲烷的速率明顯低于不存在金霉素的情況，這說明金霉素對厭氧過程的3種菌群都有明顯的抑制作用，分別使它們的最大容積產甲烷速率降低了55%，56.6%和42.8%，而蔗糖基質和丁酸鹽基質的最大產甲烷速率(qmax1和qmax2)明顯低于乙酸鹽降解的最大產甲烷速率(qmax3).這組試驗結果說明，在含有金霉素的情況下，水解發酵菌群和產氫產乙酸菌群所受的抑制較大，水解發酵和產氫產乙酸易成為厭氧消化抑制過程中的限速步驟.由于金霉素屬于四環素類抗生素是由鏈霉菌發酵產生，是一種速效抑菌劑，可以與核糖體30S亞基結合，阻礙30S亞基與氨基酰tRNA結合，導致細菌蛋白合成受阻而起到抑制細菌生長的作用［15］.從這點來看，厭氧過程的3類菌群均會受到不同程度的抑制，其中產氫和產乙酸菌受到的抑制程度最強，從能量利用的角度看，在標準狀態下，產氫產乙酸反應(如丙酸和丁酸轉化成乙酸)均為吸能反應，不能自發進行，因此，產氫產乙酸細菌從基質代謝中獲得的能量相對較少，在有抑制劑存在條件下更易受環境條件的影響，從而導致產甲烷速率下降，成為厭氧消化抑制的限速步驟.因此，要消除這種抑制作用可以通過增加基質可生化性、增加污泥與底物的親和力、降低抑制劑與底物結合的機會來有效地控制.

表5 3種基質最大容積產甲烷速率 ml·L－1·h－1

3 結論

1)10 mg/L金霉素可以使厭氧活性污泥降解模擬廢水的最大容積產甲烷速率降低47.4%，具有較強的抑制作用.

2)在無抑制劑的情況下，產甲烷過程為厭氧消化的限速步驟;金霉素的存在使厭氧過程的3類菌群均受到不同程度的抑制，其中產水解發酵菌和產氫產乙酸菌受到的抑制程度較強，水解發酵和產氫產乙酸為厭氧發酵的限速步驟.

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