兰州交通大学学报
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HAPA对污泥高温厌氧降解的影响研究

  摘要 研究高温(55 ℃)条件下低浓度厌氧污泥对废水中3-氨基-4-羟基苯砷酸(HAPA)的降解情况,考察了不同初始HAPA浓度、不同污泥浓度以及不同初始pH值对厌氧降解的影响。试验结果显示,HAPA对污泥中的微生物有一定的抑制作用。随着HAPA初始浓度的增加,厌氧污泥对其去除率明显降低,在pH值6.5时降解速率最高。


  关键词 HAPA;污泥;高温厌氧降解;影响


  中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2014)07-0230-02


  洛克沙胂是一种有机砷饲料添加剂,能够提高家禽的生长速度、控制球虫病等肠道寄生虫病,被国内外各大畜禽养殖场广泛使用,其用量一般为25~100 mg/kg[1]。但进入畜禽体内的洛克沙胂只有很少一部分被吸收,大部分则随着禽畜的排泄物排出体外。2010年我国家畜禽类养殖数量达到110.06亿只,其中猪66 686.4只[2]。养殖场的粪便则一般会直接作为有机肥料施入耕地中,因此我国每年排入环境中的洛克沙胂数量巨大[3]。洛克沙胂在厌氧条件下会迅速转化为与其结构类似的芳香族胺3-氨基-4-羟基苯砷酸(HAPA)。HAPA作为一种洛克沙胂的中间产物,具有较强的毒性。并且在厌氧条件下,HAPA经过长时间的降解会产生毒性巨大的无机砷,其中以三价砷As(Ⅲ)为主,造成环境中砷的污染,威胁人类健康。有研究显示,在甲烷和硫酸盐还原条件下,经过逾200 d的厌氧降解,微生物对HAPA及其密切相关的4-氨基苯酸(4-APA)的去除率才能够达到99%[4]。因此,研究如何使养殖废水中的HAPA降解最大化尤为重要。由于厌氧消化速率跟温度有关,温度的增加能够提高反应速率[5],故本试验在高温条件下研究HAPA对厌氧消化的影响。


  1 材料与方法


  1.1 试验材料


  1.1.1 试验材料。供试污泥取自试验室在55 ℃条件下培养1个月的成熟厌氧污泥;乙酸钠(分析纯);HAPA(4257198-5G,97%)。不同浓度的厌氧污泥上清液的配置方法:分别取活性污泥20 mL依次加入编号为1#、2#、3#的洗净大烧杯里,再加入浓度为500 mg/L乙酸钠溶液分别稀释至600、1 000、1 400 mL。然后向各烧杯持续通入氮气约3 min以保持厌氧状态,并用保鲜膜密封杯口,放入55 ℃恒温培养箱内备用。


  1.1.2 仪器。高效液相色谱仪(LC-20AD),购自日本岛津公司;气相色谱仪(SP-6890),购自鲁南瑞虹化工仪器公司;台式离心机(TGL-16C),购自上海安亭科学仪器厂;电子天平(AL204),购自梅特勒-托利多仪器公司;超声波清洗器(KQ2200),购自昆山市超声仪器有限公司。


  1.2 试验设计


  试验采用250 mL盐水瓶,在厌氧环境下,取烧杯中上清液150 mL作为底物加入瓶中,然后加入不同浓度的HAPA,用碳酸氢钠调节溶液初始pH值至7.5左右,然后向各烧杯持续通入氮气约3 min,保持厌氧状态,最后用聚丁基橡胶塞密封,置于恒温培养箱培养内,温度设为55 ℃,每组设置2个平行样,定期测定气体体积以及含量、挥发性脂肪酸(简称VFA)。


  1.2.1 不同浓度HAPA试验。各组装置内添加不同浓度HAPA,即取2#烧杯上清液150 mL,设4个处理,分别为:在盐水瓶中添加HAPA浓度分别为5 mg/L(R1)、10 mg/L(R2)和15 mg/L(R3),以未添加HAPA的盐水瓶(R0)为对照组,用碳酸氢钠调节溶液调节各组内初始pH值为7.5左右。各组添加情况如表1。定期取样测定气体成分、含量以及消化液内各测量指标的变化。使用高效液相色谱仪测定HAPA。


  1.2.2 不同初始pH值试验。控制各组消化液初始pH值,设4个处理,分别为:2#烧杯上清液150 mL用盐酸和氢氧化钠调节pH值为6.5(P1)、7.5(P2)、8.5(P3),以蒸馏水作对照(P0),添加水平见表2。试验步骤和测量指标与1.2.1相同。


  2 结果与分析


  2.1 不同HAPA初始添加浓度下VFA、日产甲烷以及HAPA浓度的变化


  从图1a可以看出,在试验开始时消化液中VFA浓度最高,这是由于试验所用的底物取自经过55 ℃培养了1 d的加有乙酸钠厌氧污泥的上清液,其中含有500 mg/L的乙酸钠,造成VFA数值较高。因各组试验取用同一浓度的微生物液体,故各组的初始VFA值相同。随着厌氧消化的进行,各组消化液中VFA浓度在前5 d迅速下降,随后各消化液中VFA浓度几乎保持不变,这与产气量变化相吻合,说明产甲烷菌分解VFA产生甲烷[6]。


  从图1b中可以看出,R1、R2、R3和R0等4个处理日产气量都在试验第2天产气量达到峰值,其中处理R0、R1和R2等3组峰值相近,且处理R0峰值最大为13 mL,处理R3峰值较其他3个处理相差较大,最小值为4 mL。处理R0、R1、R2、R3最终产甲烷量分别为20.0、16.5、14.5、6.0 mL。


  2.2 不同初始pH值条件下VFA、日产甲烷量随时间的变化


  图2为不同初始pH值下,各组中VFA、日产甲烷量和HAPA浓度随时间变化的曲线。从图2a中可以看出,处理P1、P2、P3 VFA浓度变化曲线几乎一致,在前4 d时VFA迅速下降,之后各组VFA下降速度减缓,在第5天达到平衡状态,并基本保持不变。


  从图2b可以看出,除对照P0不产甲烷外,各试验组在第2天达到产甲烷高峰,之后产气量下降,到第5天各组几乎不再产气。到厌氧消化结束时,处理P1、P2、P3累积产甲烷量分别为24.75、15.25、13.75 mL,其中处理P1的累积产甲烷量最大,处理P2、P3产气量依次减小,说明初始的pH值对产甲烷量有影响,在研究的pH值范围内,pH值越低越有利于产甲烷。   3 结论与讨论


  VFA是厌氧消化过程中的重要参数,是有机物在消化初期水解酸化的产物,在消化后期被产甲烷菌作为底物分解为甲烷[7]。从试验结果可以看出,添加不同浓度HAPA处理不存在VFA上升的酸化阶段,这是由于本试验所采用的是加入污泥底物在55 ℃静置培养1 d的污泥上清液,底物为乙酸钠,导致其VFA数值较高。未添加HAPA处理产甲烷量明显高于添加HAPA 5、10、15 mg/kg处理,而从3个处理的产气速率来看,HAPA浓度越高,抑制越强。因为HAPA本身对厌氧消化有抑制作用,这种抑制随着其浓度的增加而加大[8]。


  近期研究表明,微生物降解选定的最佳pH值为6.5~7.5[9]。一般来说产甲烷菌偏碱性活性强,本次试验的结果符合这一结论[10]。从试验结果中发现,在HAPA存在的条件下,pH值为6.5时,最有益于VFA的分解以及甲烷的产生。这可能是由于在酸性条件下,产甲烷菌分解VFA能力增强。


  4 参考文献


  [1] 黄连喜,姚丽贤,何兆恒,等。施用含洛克沙胂鸡粪对蔬菜生长及砷累积的影响[J].中国生态农业学报,2012,20(11):1437-1442.


  [2] 国家统计局农村社会经济调查司。中国农村统计年鉴[M].北京:中国统计出版社,2011:190-191.


  [3] 张雨梅,陈冬梅,马一冬,等。洛克沙胂在青菜及土壤中的残留特性[J].农业环境科学学报,2008,27(6):2467-2470.


  [4] CORTINAS I,FIELD J,KOPPLIN M,et al.Anaerobic Biotransformation of Roxarsone and Related N-Substituted phenylarsonic Acids[J].Environ Sci Technol,2006,40(9):2951-2957.


  [5] GARBARINO J R,RUTHERFORD D W,WERSHAW R L.Environment fate of roxarsone.I.degradation of roxarsone during composting[J].Environ Sci Technol,2003(37):1509-1514.


  [6] 祖波,祖建,周富春,等。产甲烷菌的生理生化特性[J].环境科学与技术,2008,31(3):5-8.


  [7] 冯文谦,李小建,王德汉,等。添加蚯蚓粪对餐厨垃圾厌氧消化过程的影响[J].华南农业大学学报,33(3):326-330.


  [8] SIERRA-ALVAREZ R,CORTINAS I,YENAL U, et al.Methanogenic Inhibition by Arsenic Compounds[J].Applied and Environmental Microb-iology,2004,70(9):5688-5691.


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  [10] 郭丽青,夏磊,顾林英,等。肉鸡饲料用洛克沙砷的排泄、残留及其在鸡粪好氧堆肥中降解规律研究[J].中国畜牧杂志,2013(21):28-32.


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