金霉素和碱度对畜禽废水硝化过程的影响,农业基础科学论文

金霉素和碱度对畜禽废水硝化过程的影响,农业基础科学论文兽用抗生素作为抗寄生虫、抗菌、促进动物生长制剂，在畜禽养殖业中得到广泛应用[1].大部分抗生素在动物体内很难被吸收利用，有30%~90%的抗生素以原药或其他代谢物通过尿液和粪便的形式进入环境[2].畜禽养殖业废水多采用厌氧消化处理[3-4],该方式方法对抗生素具有一定的去除效率[5],但其出水中某些抗生素浓度仍较高[6].不同地区和季节畜禽养殖业废水中抗生素的浓度和种类差异不同较大，孙建平检测出杭州某规模化养殖厂废水中金霉素浓度高达65mg/L[7].畜禽废水经厌氧消化处理后，沼液中氨氮浓度增加、C/N比失衡、可生化性差[8],需后续脱氮处理。生物脱氮包括硝化和反硝化2个阶段，华而不实硝化阶段为限速步骤。关于硝化经过影响因素的研究较多集中在温度、碳氮比、溶解氧、碱度等方面，鲜有文献报道废水中的金霉素对硝化经过的影响。硝化经过会释放H+,致使pH值下降，硝化菌对pH值变化特别敏感，故碱度对生物脱氮影响较大。在某些条件下，畜禽废水厌氧消化液会出现碱度缺乏的情况[8].因而有必要研究碱度对畜禽废水脱氮的影响。本研究以模拟畜禽废水厌氧消化液为处理对象，在25,30℃条件下，讨论金霉素和碱度对硝化经过的影响。1试验部分1.1试验材料本试验进水为模拟畜禽养殖废水的厌氧消化出水，以葡萄糖为碳源，NH4Cl为氮源。外加CaCl20.14g/L、MgSO47H2O0.3g/L、KH2PO40.16g/L、NaHCO31.63g/L和微量元素。微量元素：ZnSO47H2O0.1g/L,CoC126H2O0.2g/L,FeCl36H2O0.25g/L,Na2MoO42H2O0.11g/L,NiC126H2O0.04g/L.参加量为1mg/L.废水水质见表1.【1】金霉素为某生物科技有限公司销售的兽用试剂，用量按需投加。接种污泥取自成都某污水处理厂回流污泥，经过10d驯化，氨氮转化率达90%以上，硝化污泥培养成熟。1.2试验装置及运行方式试验采用6个一样的小型SBR反响器〔如此图1所示〕,每个反响器总容积2.5L,有效容积2L,起始MLVSS值为〔2500100〕mg/L.采用振荡箱振荡充氧，使〔DO〕维持在0.8~1.5mg/L,泥水可充分混合。SBR排水率为50%.6个反响器平均分为2组，分别在25,30℃条件下运行。每组的3个反响器内金霉素浓度依次为0,5,20mg/L.通过添加NaHCO3调节进水碱度/氨氮〔ALK/N〕比值，使各反响器分6个阶段运行〔共运行166个周期〕:ALK/N分别为9.28〔碱度过量1/3〕、7.14〔碱度充足〕、4.76〔碱度缺乏1/3〕、3.57〔碱度缺乏1/2〕、2.38〔碱度缺乏2/3〕、0〔碱度为0〕.ALK/N为9.28阶段运行41周期，其余阶段运行25个周期后，进入下一个ALK/N阶段。每4个周期测定1次，文中数据均是稳定运行后，24个周期的平均值。SBR反响器运行周期为12h,华而不实25℃组进水10min、曝气360min、沉淀40min、排水10min、闲置300min;30℃组进水10min、曝气300min、沉淀40min、排水10min、闲置360min.1.3分析项目及方式方法VSS、SS采用重量法测定；pH值采用WTW-pH/oxi340i型便携式测量仪；COD采用5B-3〔D〕型COD快速测定仪；氨氮根据纳氏试剂分光光度法测定；亚硝态氮根据N-〔1-萘基〕-乙二胺光度法测定；硝态氮根据麝香草酚分光光度法测定；碱度采用电位滴定法测定[9].NAR根据式〔1〕计算：【2】比氧化速率，mg/〔mgh〕;为温度修正系数，K-1;T为温度，K.游离氨〔freeammonia,FA〕和游离亚硝酸盐〔freenitrousacid,FNA〕根据式〔4〕、式〔5〕计算。【3】2结果与讨论2.1金霉素和碱度对氨氧化率〔ammoniaoxidationrate,AOR〕的影响图2为不同温度下，金霉素和碱度对AOR的影响。从图2能够看出：在碱度充足的条件下，25℃时金霉素质量浓度分别为0,5,20mg/L,AOR依次为98%、91%和79%.30℃时AOR依次为98%、97%和91%.同样，碱度缺乏时AOR变化规律一样。讲明金霉素对硝化细菌有抑制作用，导致AOR不断减小。金霉素属四环素类抗生素，该类抗生素能与细菌核糖体30S亚基的A位置结合，干扰30S小亚基与氨基酰tRNA结合，使得氨基酰tRNA不能进入mRNA上的受位，导致细菌蛋白质合成受阻进而抑制细菌活性。25℃、未添加金霉素时，碱度过量1/3对AOR影响不大，但当ALK/N从7.14下降到0时，AOR从98%下降至约25%.金霉素浓度分别为5,20mg/L时，当ALK/N从9.28下降到0时，AOR分别从98%和90%下降到29%和27%.即随着碱度的下降，AOR下降。比拟图2能够发现：两者的总体变化趋势一样，但略有差异不同。总体上AOR随着碱度的减小而降低。除碱度过量1/3,30℃组AOR比25℃组稍低外，其他碱度一样的条件下，30℃组AOR比25℃组稍高。主要原由于在10~30℃时，硝化细菌的活性随着温度升高而升高[10-11].另外，在一样的金霉素浓度梯度下，25℃时金霉素对氨氧化菌〔ammoniaoxidizingbacteria,AOB〕和亚硝酸盐氧化菌〔nitriteoxidizingbacteria,NOB〕的抑制效果较30℃时明显。其原因可能是温度对金霉素水解作用的影响，随着温度升高，金霉素水解率增大。当pH=7,温度分别为7,2,35℃时，金霉素的半衰期分别为429,16,6h[12],即随着温度的增加，金霉素的半衰期减小。因而经过水解作用后，30℃组中的金霉素浓度梯度比25℃组小，故对AOR影响差异不同较小。2.2金霉素和碱度对亚硝态氮积累率〔nitriteaccumulationrate,NAR〕的影响不同温度下金霉素和碱度对NAR的影响如此图3所示。25℃、碱度充足条件下，未添加金霉素时，NAR几乎为0;金霉素浓度提高到5mg/L时，NAR为59%;继续提高金霉素浓度至20mg/L,NAR为70%.同样，碱度缺乏时NAR变化规律一样，即随着金霉素浓度增加，NAR逐步上升。讲明25℃时金霉素对NOB的抑制作用大于AOB,出现亚硝态氮累积。SusanSchmidt等[13]在研究抗生素对硝化经过的影响中发现，当混合抗生素浓度在20~30mg/L时，硝化经过的产物主要为亚硝态氮，只要少量的硝态氮生成。且有文献报道通过控制温度、pH、溶解氧、FA、FNA、抑制物、曝气时间等[14-16]能够实现短程硝化，而本研究发现通过控制金霉素的浓度可以以实现短程硝化。由于中温〔30℃以上〕有利于AOB生长，所以NAR在30℃时比在25℃时更高层次。30℃时AOB比NOB增殖快，当氨氮转化为亚硝态氮之后停止曝气，控制生化反响时间，可出现亚硝态氮的累积。从图3能够看出：同样条件下30℃时NAR都高于25℃，而投加金霉素后，两者之间的差异不同更大。30℃时，即便ALK/N降低到2.38〔碱度缺乏2/3〕,但是投加了金霉素的系统，NAR仍可维持在76%以上。讲明温度和金霉素的共同作用可致使亚硝态氮累积。但当碱度严重缺乏时，由于整个硝化系统均遭到毁坏性影响，AOR变差，NAR也随之降低。2.3氨氮平均降解速率的变化不同温度下金霉素和碱度对氨氮平均降解速率的影响如此图4所示。从图4能够看出：金霉素对氨氮平均降解速率影响较大。25℃、碱度充足的条件下，金霉素浓度分别为0,5,20mg/L时，氨氮平均降解速率分别为7.94,7.38,6.49mg/〔gh〕.即随着金霉素浓度的增加，氨氮平均降解速率下降，且在不同碱度条件下，变化趋势类似。25℃、金霉素为0mg/L的条件下，当ALK/N从9.28降至0时，氨氮平均降解速率从8.02mg/〔gh〕减小到2.30mg/〔gh〕.即随着碱度的减少，氨氮平均降解速率下降，且在不同金霉素浓度下，变化趋势类似。从图4还能够看出：在不同金霉素浓度和碱度条件下，氨氮平均降解速率在30℃均高于25℃。这主要是由于温度会影响硝化细菌对底物的利用速率。AOB在293K时最大比氧化速率为0.80d-1,温度修正系数为0.094K-1[17],将数据代入硝化细菌对底物的利用速率公式，可得AOB的比氧化速率在25,30℃时分别为1.280,2.048mg/〔mgh〕.故30℃时其氨氮平均降解速率较25℃时高。2.4FA和FNA的变化FA和FNA对AOB和NOB均有抑制作用，但NOB对FA和FNA更敏感。FA对AOB和NOB的抑制浓度分别为8~120mg/L和0.08~0.82mg/L,FNA对AOB和NOB的抑制浓度分别为0.2~2.8mg/L和0.06~0.83mg/L[11].根据式〔4〕和式〔5〕可得：在温度为25,30℃下，金霉素为0mg/L时，FA浓度变化如此图5所示。FA浓度随碱度的降低而逐步降低，且30℃时较25℃高。30,25℃时，随着ALK/N从9.28降至0,〔FA〕分别从3.4,2.5mg/L降至0.7,0.5mg/L.故FA处于抑制NOB但不抑制AOB的范围内，对NAR有一定的奉献。但从图3能够看出，25℃、金霉素为0mg/L、ALK/N=9.28时，NAR约为6%,随着碱度继续下降，NAR几乎为0.故FA对NAR的奉献较小，不是抑制NOB的主要因素。计算所得FNA最大值为0.003,远低于FNA对AOB和NOB的抑制浓度，对AOB和NOB的抑制作用均可忽略。3结论1〕金霉素可抑制AOB和NOB的活性。碱度充足、金霉素分别为0,5,20mg/L时，随着金霉素浓度增加，AOR下降。在碱度缺乏时，AOR变化规律一样。30℃时，金霉素浓度对AOR的