洛克沙砷对不同底物厌氧消化过程的影响

冯晶晶　余硕果　余存和　唐睿

摘要：本研究分别采用蛋白质（奶粉）、玉米淀粉（淀粉）和棉花（纤维素）作为底物，探究洛克沙胂对不同底物厌氧消化的影响。结果发现，洛克沙胂几乎不影响厌氧产酸过程。但是高浓度洛克沙胂（100 mg/L）对三种底物的厌氧产甲烷过程均表现出严重的抑制。以奶粉为底物的厌氧产甲烷过程对低浓度洛克沙胂（50 mg/L）具有较高的耐受性。

关键词：厌氧消化；洛克沙胂；底物

畜禽养殖废水是典型的高浓度有机废水，其有机物组成主要有蛋白质和糖类（淀粉和纤维素类物质等）[1]。厌氧生物技术具有高有机负荷率、低成本的优点，因而常用于处理高浓度畜禽养殖废水。洛克沙胂作为常见的畜禽饲料添加剂，最终排放到畜禽养殖废水中。但是洛克沙胂的存在，会影响到厌氧生物处理的稳定性和处理效能[2] [3]。然而，不同有机底物的厌氧消过程对洛克沙胂及其降解产物的耐受程度差异缺乏相关研究。本文通过间歇实验，分别考察了洛克沙胂对蛋白质、淀粉和纤维素厌氧消化过程的影响。

1 材料与方法

1.1 实验设计

实验采用250 mL的具塞盐水瓶作为厌氧反应器，其中有效部分为200 mL。分别选取奶粉（蛋白质）、玉米淀粉和棉花（纤维素）作为厌氧消化底物，底物浓度统一设置为7 g/L。对于每种底物，分别添加三个浓度梯度的洛克沙胂，研究其对不同底物厌氧消化过程的影响，如表1所示。此外，为保证实验运行稳定，各厌氧小瓶接种30 mL种泥（取自某市政污水处理厂），补充1 mL微生物生长所必需的微量元素溶液[4]，调节初始消化液 pH值至7.5左右。然后，利用氮气赶走小瓶中氧气，创造厌氧条件。最后，封瓶，放在35℃的温度下培养。

实验中定期取样检测。主要测试项目包括生物产气体积及成份、挥发性脂肪酸（VFA）、蛋白质和NH4+-N含量及TS、VS及含水率。检测方法参照标准方法 [5]。

2 结果与分析

2.1 洛克沙胂對三种底物厌氧产酸过程的影响

三种不同底物的厌氧产酸过程如图1所示。实验的第一周，各实验组VFA水平迅速上升至峰值。此阶段，对照组（NR0、YR0和MR0）与实验组的VFA的生成趋势类似。但棉花组的VFA产量明显低于奶粉和玉米淀粉组，证实纤维素难以厌氧降解。一周后，各组结果差异较大，对照组（NR0、YR0和MR0）的VFA迅速消耗，添加100 mg/L洛克沙胂组的VFA保持稳定，无明显消耗。这说明高浓度洛克沙胂（100 mg/L）对三种底物的厌氧产甲烷过程都造成了严重的抑制，使产生的VFA无法转化生成甲烷。对于添加50 mg/L洛克沙胂组，三种底物的厌氧产酸过程有所差异。以奶粉为底物的实验组在20天后，VFA迅速下降并稳定在约800 mg/L，而以玉米淀粉和棉花为底物的实验组仅有略微降低。这表明以蛋白质为底物的厌氧消化对洛克沙胂具有更高的耐受性，经过短时间的驯化，产甲烷活性可以恢复。而以糖类（淀粉和纤维素）为底物的厌氧消化容易遭受洛克沙胂抑制，并产生酸积累，进一步抑制厌氧产甲烷过程。

2.2 洛克沙胂对奶粉（蛋白质）厌氧降解的影响

图2描绘了以奶粉为底物的实验组中NH4+-N含量的变化。厌氧消化前7天，NH4+-N含量急速增加，随后变缓，12天后趋于稳定。厌氧消化初期，添加洛克沙胂组的NH4+-N含量要高于NR0，但VFA产量大致相当。这可能是洛克沙胂促进了蛋白质的厌氧降解。12天后，NR0、NR1和NR2组的NH4+-N含量基本稳定在同一水平，说明洛克沙胂基本没有对蛋白质的降解产生抑制，降解蛋白质类物质的菌群对洛克沙胂的毒性有很强的适应性。

2.3 洛克沙胂对三种不同底物厌氧产甲烷过程的影响

图3分别展示了三种底物的厌氧消化过程中每日的甲烷产量。以奶粉为底物时（图3a），实验第1天，NR1和NR2组的甲烷日产量（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组的甲烷日产量差异显著（其中NR0当天甲烷产量为28.3 mL/g/d，实验组NR1和NR2分别为17.5和10.8 mL/g/d）。添加洛克沙胂组在第3天达到最高峰后逐渐减少，而对照组继续增加至第6天达到最大值。NR0和NR1产甲烷均持续了45天，而NR2产甲烷在第8天时受到完全抑制，说明高浓度洛克沙胂对产甲烷造成消极影响。以玉米淀粉为底物时（图3b），所有组甲烷日产量都在第3天出现第一个峰值，随后YR0和YR1分别在第12天和第32天出现了第2个峰值，YR2在第10天后停止产气。这表明100 mg/L洛克沙胂对玉米淀粉的厌氧产甲烷造成了严重抑制，50 mg/L洛克沙胂对玉米淀粉的厌氧产甲烷也有一定抑制，经过驯化后，产甲烷活性略有恢复。以棉花为底物时（图3c），MR0、MR1和MR2的甲烷日产量分别在第10、7和5天达到峰值（MR0：13.16 mL/g/d；MR1：4.48 mL/g/d和MR2：1.60 mL/g/d）。随后，MR1和MR2在20天后受到洛克沙胂的严重抑制，停止产气。

图4分别展示了三种底物厌氧消化过程甲烷的累积产量。添加洛克沙胂组的累积产甲烷量和最大产甲烷速率均低于相应的对照组（NR0、YR0和MR0），表明洛克沙胂对产甲烷活性造成了严重抑制。厌氧消化结束后，以奶粉、玉米淀粉和棉花为底物的厌氧消化器中添加50 mg/L洛克沙胂浓度组累积的产甲烷量分别为152.9 mL，115.9 mL和35.7 mL，相比于相应的对照组（302.4 mL、260.7 mL、236.0 mL），分别减少49.4%，55.5%，84.9%；而100 mg/L添加洛克沙胂组的累积产甲烷量分别为34.6 mL（NR2），36.6 mL（YR2）和7.2 mL（MR2），相比于相应的对照组，分别减少88.6%，86.0%，96.9%。综上可知，以纤维素为底物的厌氧消化过程最易受到洛克沙胂的影响，其次是淀粉，而以蛋白质为底物的厌氧消化对洛克沙胂具有较好的耐受性。

3 结论

本实验研究了洛克沙胂对三种不同底物（奶粉、玉米淀粉和棉花）厌氧消化过程的影响。厌氧产酸过程几乎不受洛克沙胂影响。但是高浓度洛克沙胂（100 mg/L）对三种底物的厌氧产甲烷过程均表现出严重的抑制。以奶粉为底物的厌氧产甲烷过程对低浓度洛克沙胂（50 mg/L）具有较高的耐受性。

参考文献：

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

[2] 廖巧霞. 洛克沙胂在养殖业中的应用[J]. 广东兽牧兽医科技，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] 國家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会. 水和废水监测分析方法

基金项目：

安徽省科技攻关计划项目（1501041130）。

作者简介：

冯晶晶，女，安徽省六安市排水有限公司，主要研究污水和污泥处置；

余硕果，男，安徽省六安市排水有限公司，主要研究污水和污泥处置；

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处置；

唐 睿，男，博士生，合肥工业大学，主要研究废水处理及砷污染控制。