HAPA对污泥高温厌氧降解的影响研究

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。

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。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。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%。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，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。

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。

近期研究表明，微生物降解选定的最佳pH值为6.5～7.5。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。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。

原标题：HAPA对污泥高温厌氧降解的影响研究