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(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，杭州310029;2.浙江樹人大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院，杭州310015，jianpingsun@163.com)

集約化畜禽養(yǎng)殖廢水已被全球各國公認(rèn)為造成地表水體富營養(yǎng)化污染的重要貢獻(xiàn)者，養(yǎng)殖廢水的處理已成為目前畜禽養(yǎng)殖場最關(guān)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(zhì)量濃度的有機(jī)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(fù)面影響［3－9］.豬場常用的阿莫西林對厭氧消化具有較強(qiáng)的抑制作用，10 mg/L的阿莫西林可以使最大容積產(chǎn)甲烷速率降低60%，在阿莫西林存在下水解發(fā)酵易成為限速步驟［10］.也有研究表明當(dāng)阿莫西林質(zhì)量濃度為60 mg/L和120 mg/L時(shí)，豬場廢水厭氧發(fā)酵150 h后，產(chǎn)甲烷速率分別是對照的75%和68%［11］.盤尼西林和四環(huán)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(chǎn)甲烷速率分別降低35%和25%［12］.

四環(huán)素類抗生素是規(guī)?；B(yǎng)豬場常用的抗生素之一，具有較強(qiáng)的抗菌效應(yīng)，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(huán)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(dòng)力學(xué)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(yùn)行.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 化學(xué)藥品

金霉素為獸用藥劑，純度大于99%，購于杭州潔康工貿(mào)有限公司;蔗糖、丁酸鈉和乙酸鈉均為分析純，華東醫(yī)藥公司購得.試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過EXCEL2003軟件進(jìn)行擬合.

1.2 試驗(yàn)裝置

發(fā)酵試驗(yàn)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(shè)置導(dǎo)管，將產(chǎn)生的氣體引入史氏發(fā)酵管，發(fā)酵管中充滿5%NaOH溶液，以吸收氣體中的CO2，計(jì)量氣體中的CH4.試驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)裝置圖

1.3 基質(zhì)和污泥

實(shí)際豬場廢水取自杭州某養(yǎng)殖場，廢水取回后投加NaOH調(diào)節(jié)pH值，對廢水中的抗生素進(jìn)行消解.由于實(shí)際豬場廢水的COD質(zhì)量濃度為5 800 mg/L，通過添加適量蔗糖和其他營養(yǎng)成分配制成一定的質(zhì)量濃度梯度;模擬廢水以蔗糖為主要基質(zhì)，同時(shí)按 COD比例投加適量的K2H3PO4、FeSO4、NaHCO3等配制而成;單基質(zhì)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(diào)節(jié)pH值而成，廢水COD質(zhì)量濃度梯度見表1.接種污泥取養(yǎng)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(zhì)對試驗(yàn)的影響，厭氧污泥用生理鹽水清洗3次，取15 mL分裝至每個(gè)血清瓶中.試驗(yàn)前，將裝有接種污泥的血清瓶放入30℃恒溫室預(yù)培養(yǎng)1 d.

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 厭氧污泥抑制動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

有機(jī)物厭氧生物降解的動(dòng)力學(xué)特性可以通過Monod方程進(jìn)行表達(dá)［13］，因此，本試驗(yàn)以Monod方程為基礎(chǔ)，通過甲烷產(chǎn)生速率確定相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù).Monod方程表征如下:

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

表1 廢水COD質(zhì)量濃度梯度

對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性回歸，求得直線斜率k，即在該段時(shí)間內(nèi)的平均反應(yīng)速率，由于時(shí)間間隔短，可認(rèn)為k值是底物質(zhì)量濃度為S的瞬時(shí)反應(yīng)速率，可以求得6組有序?qū)崝?shù)對(S，k).利用雙倒數(shù)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(chǎn)甲烷速率和半速率常數(shù).

在充氬氣保證厭氧狀態(tài)的條件下，取14個(gè)裝有15 mL厭氧污泥的血清瓶，分別注入85 mL不同COD質(zhì)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(jù)飼料添加劑中金霉素的含量確定)，作為實(shí)驗(yàn)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(yǎng)，每天定時(shí)用手輕輕搖晃數(shù)次，每隔1，4，8，16，32 h記錄甲烷產(chǎn)量.上述試驗(yàn)設(shè)置3組平行試驗(yàn)，計(jì)算產(chǎn)甲烷量的平均值作為試驗(yàn)值.

1.4.2 厭氧消化限速步驟試驗(yàn)

通常認(rèn)為，厭氧消化過程可分為3個(gè)階段:水解發(fā)酵階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段(圖2)［14］.

圖2 厭氧消化過程

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

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

2 結(jié)果和討論

2.1 金霉素抑制作用下厭氧消化動(dòng)力學(xué)特性

通過對試驗(yàn)結(jié)果的線性回歸得到基質(zhì)質(zhì)量濃度和反應(yīng)速率的關(guān)系，見表2.利用Monod方程的雙倒數(shù)型式作1/q對1/S曲線，如圖3所示.根據(jù)曲線擬合結(jié)果得qmax=19.6 mL/(L·h)，而金霉素存在下1/q－1/S雙倒數(shù)曲線擬合結(jié)果為q′max=10.3 mL/(L·h).金霉素的存在使最大容積產(chǎn)甲烷速率降低了47.4%.

表2 基質(zhì)質(zhì)量濃度和反應(yīng)速率關(guān)系

圖3 金霉素存在下1/q－1/S雙倒數(shù)曲線

2.2 金霉素抑制時(shí)厭氧消化限速步驟

根據(jù)對試驗(yàn)結(jié)果的線性回歸得到關(guān)于速度和時(shí)間的線性方程，進(jìn)而得到存在和不存在金霉素抑制作用下，基質(zhì)質(zhì)量濃度和反應(yīng)速率的關(guān)系，見表3，4.

表3 金霉素不存在時(shí)不同基質(zhì)COD質(zhì)量濃度與反應(yīng)速率關(guān)系

表4 金霉素存在時(shí)不同基質(zhì)COD質(zhì)量濃度與反應(yīng)速率關(guān)系

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

由表5可知，在金霉素不存在時(shí)，蔗糖和丁酸鈉轉(zhuǎn)化為甲烷的速率相當(dāng)，分別為17.6 mL/(L· h)和17.7 mL/(L·h)，略低于乙酸基質(zhì)，此時(shí)產(chǎn)甲烷菌群是單基質(zhì)代謝的敏感菌群，在沒有其他抑制成分存在時(shí)，基質(zhì)質(zhì)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(zhì)中投加10 mg/L金霉素時(shí)，蔗糖、丁酸鈉和乙酸鈉轉(zhuǎn)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(chǎn)甲烷速率降低了55%，56.6%和42.8%，而蔗糖基質(zhì)和丁酸鹽基質(zhì)的最大產(chǎn)甲烷速率(qmax1和qmax2)明顯低于乙酸鹽降解的最大產(chǎn)甲烷速率(qmax3).這組試驗(yàn)結(jié)果說明，在含有金霉素的情況下，水解發(fā)酵菌群和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群所受的抑制較大，水解發(fā)酵和產(chǎn)氫產(chǎn)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(huán)素類抗生素是由鏈霉菌發(fā)酵產(chǎn)生，是一種速效抑菌劑，可以與核糖體30S亞基結(jié)合，阻礙30S亞基與氨基酰tRNA結(jié)合，導(dǎo)致細(xì)菌蛋白合成受阻而起到抑制細(xì)菌生長的作用［15］.從這點(diǎn)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(chǎn)氫和產(chǎn)乙酸菌受到的抑制程度最強(qiáng)，從能量利用的角度看，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸反應(yīng)(如丙酸和丁酸轉(zhuǎn)化成乙酸)均為吸能反應(yīng)，不能自發(fā)進(jìn)行，因此，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌從基質(zhì)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(huán)境條件的影響，從而導(dǎo)致產(chǎn)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(zhì)可生化性、增加污泥與底物的親和力、降低抑制劑與底物結(jié)合的機(jī)會來有效地控制.

表5 3種基質(zhì)最大容積產(chǎn)甲烷速率 ml·L－1·h－1

3 結(jié)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(chǎn)甲烷速率降低47.4%，具有較強(qiáng)的抑制作用.

2)在無抑制劑的情況下，產(chǎn)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(chǎn)水解發(fā)酵菌和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌受到的抑制程度較強(qiáng)，水解發(fā)酵和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸為厭氧發(fā)酵的限速步驟.

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