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（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。結果發現，洛克沙胂幾乎不影響厭氧產酸過程。但是高濃度洛克沙胂（100 mg/L）對三種底物的厭氧產甲烷過程均表現出嚴重的抑制。以奶粉為底物的厭氧產甲烷過程對低濃度洛克沙胂（50 mg/L）具有較高的耐受性。

關鍵詞：厭氧消化；洛克沙胂；底物

畜禽養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和糖類（淀粉和纖維素類物質等）[1]。厭氧生物技術具有高有機負荷率、低成本的優點，因而常用于處理高濃度畜禽養殖廢水。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物的耐受程度差異缺乏相關研究。本文通過間歇實驗，分別考察了洛克沙胂對蛋白質、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）、玉米淀粉和棉花（纖維素）作為厭氧消化底物，底物濃度統一設置為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]，調節初始消化液 pH值至7.5左右。然后，利用氮氣趕走小瓶中氧氣，創造厭氧條件。最后，封瓶，放在35℃的溫度下培養。

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

2 結果與分析

2.1 洛克沙胂對三種底物厭氧產酸過程的影響

三種不同底物的厭氧產酸過程如圖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甲烷過程都造成了嚴重的抑制，使產生的VFA無法轉化生成甲烷。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。這表明以蛋白質為底物的厭氧消化對洛克沙胂具有更高的耐受性，經過短時間的馴化，產甲烷活性可以恢復。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，并產生酸積累，進一步抑制厭氧產甲烷過程。

2.2 洛克沙胂對奶粉（蛋白質）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產量大致相當。這可能是洛克沙胂促進了蛋白質的厭氧降解。12天后，NR0、NR1和NR2組的NH4+-N含量基本穩定在同一水平，說明洛克沙胂基本沒有對蛋白質的降解產生抑制，降解蛋白質類物質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量。以奶粉為底物時（圖3a），實驗第1天，NR1和NR2組的甲烷日產量（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組的甲烷日產量差異顯著（其中NR0當天甲烷產量為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，而對照組繼續增加至第6天達到最大值。NR0和NR1產甲烷均持續了45天，而NR2產甲烷在第8天時受到完全抑制，說明高濃度洛克沙胂對產甲烷造成消極影響。以玉米淀粉為底物時（圖3b），所有組甲烷日產量都在第3天出現第一個峰值，隨后YR0和YR1分別在第12天和第32天出現了第2個峰值，YR2在第10天后停止產氣。這表明100 mg/L洛克沙胂對玉米淀粉的厭氧產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甲烷也有一定抑制，經過馴化后，產甲烷活性略有恢復。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，停止產氣。

圖4分別展示了三種底物厭氧消化過程甲烷的累積產量。添加洛克沙胂組的累積產甲烷量和最大產甲烷速率均低于相應的對照組（NR0、YR0和MR0），表明洛克沙胂對產甲烷活性造成了嚴重抑制。厭氧消化結束后，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，而以蛋白質為底物的厭氧消化對洛克沙胂具有較好的耐受性。

3 結論

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甲烷過程均表現出嚴重的抑制。以奶粉為底物的厭氧產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. 洛克沙胂在養殖業中的應用[J]. 廣東獸牧獸醫科技，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] 國家環境保護總局《水和廢水監測分析方法》編委會. 水和廢水監測分析方法

基金項目：

安徽省科技攻關計劃項目（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，合肥工業大學，主要研究廢水處理及砷污染控制。