引 言

獸用抗生素作為抗寄生蟲、抗菌、促進動物生長制劑，在畜禽養殖業中得到廣泛應用[1].大部分抗生素在動物體內很難被吸收利用，有 30% ~ 90% 的抗生素以原藥或其他代謝物通過尿液和糞便的形式進入環境[2].

畜禽養殖業廢水多采用厭氧消化處理[3-4],該方法對抗生素具有一定的去除效率[5],但其出水中某些抗生素濃度仍較高[6].不同地區和季節畜禽養殖業廢水中抗生素的濃度和種類差別較大，孫建平檢測出杭州某規?；B殖廠廢水中金霉素濃度高達65 mg / L[7].畜禽廢水經厭氧消化處理后，沼液中氨氮濃度增加、C/N 比失衡、可生化性差[8],需后續脫氮處理。

生物脫氮包括硝化和反硝化 2 個階段，其中硝化階段為限速步驟。關于硝化過程影響因素的研究較多集中在溫度、碳氮比、溶解氧、堿度等方面，鮮有文獻報道廢水中的金霉素對硝化過程的影響。

硝化過程會釋放H+,致使pH 值下降，硝化菌對pH值變化十分敏感，故堿度對生物脫氮影響較大。在某些條件下，畜禽廢水厭氧消化液會出現堿度不足的情況[8].因此有必要研究堿度對畜禽廢水脫氮的影響。

本研究以模擬畜禽廢水厭氧消化液為處理對象，在 25,30 ℃條件下，探討金霉素和堿度對硝化過程的影響。

1 試驗部分

1. 1 試驗材料

本試驗進水為模擬畜禽養殖廢水的厭氧消化出水，以葡萄糖為碳源，NH4Cl 為氮源。 外 加 CaCl20. 14 g / L、MgSO4·7H2O 0. 3 g / L、KH2PO40. 16 g / L、NaHCO31. 63 g / L 和 微量 元素。微量元素： ZnSO4·7H2O 0. 1 g / L,CoC12·6H2O 0. 2 g / L,FeCl3·6H2O0. 25 g / L,Na2MoO4·2H2O 0. 11 g / L,NiC12·6H2O0. 04 g / L.加入量為 1 mg / L.廢水水質見表 1.【1】

金霉素為某生物科技有限公司銷售的獸用試劑，用量按需投加。

接種污泥取自成都某污水處理廠回流污泥，經過10 d 馴化，氨氮轉化率達 90% 以上，硝化污泥培養成熟。

1. 2 試驗裝置及運行方式

試驗采用 6 個相同的小型 SBR 反應器（ 如圖 1所示） ,每個反應器總容積 2. 5 L,有效容積 2 L,起始MLVSS 值為（ 2 500 ± 100） mg / L.采用振蕩箱振蕩充氧，使 ρ（ DO） 維持在 0. 8 ~ 1. 5mg/L,泥水可充分混合。SBR 排水率為 50%.6 個反應器平均分為 2 組，分別在 25,30 ℃ 條件下運行。每組的 3 個反應器內金霉素濃度依次為 0,5,20 mg / L.通過添加 NaHCO3調節進水堿度/氨氮（ ALK/N） 比值，使各反應器分 6 個階段運行（ 共運行166 個周期） : ALK / N 分別為 9. 28 （ 堿度過量 1 /3 ） 、7. 14（ 堿度充足） 、4. 76（ 堿度不足 1 /3） 、3. 57（ 堿度不足1/2） 、2. 38（ 堿度不足2/3） 、0（ 堿度為0） .ALK/N為 9. 28 階段運行 41 周期，其余階段運行 25 個周期后，進入下一個 ALK/N 階段。每 4 個周期測定 1 次，文中數據均是穩定運行后，24 個周期的平均值。SBR反應器運行周期為 12 h,其中25 ℃組進水10 min、曝氣 360 min、沉淀 40 min、排水 10 min、閑置 300 min;30 ℃ 組進水 10 min、曝氣 300 min、沉淀 40 min、排水10 min、閑置 360 min.

1. 3 分析項目及方法

VSS、SS 采用重量法測定； pH 值采用 WTW-pH /oxi340i 型便攜式測量儀； COD 采用 5B-3 （ D） 型 COD快速測定儀； 氨氮根據納氏試劑分光光度法測定； 亞硝態氮根據 N-（ 1-萘基） - 乙二胺光度法測定； 硝態氮根據麝香草酚分光光度法測定； 堿度采用電位滴定法測定[9].

NAR 根據式（ 1） 計算：【2】

比氧化速率，mg/（ mg·h） ; θ 為溫度修正系數，K- 1; T為溫度，K.游離氨（ free ammonia,FA） 和游離亞硝酸鹽（ freenitrous acid,FNA） 根據式（ 4） 、式（ 5） 計算?！?】

2 結果與討論

2. 1 金霉素和堿度對氨氧化率 （ ammonia oxidationrate,AOR） 的影響

圖 2 為不同溫度下，金霉素和堿度對 AOR 的影響。從圖 2 可以看出： 在堿度充足的條件下，25 ℃時金霉素質量濃度分別為 0,5,20 mg/L,AOR 依次為98% 、91% 和 79% .30 ℃ 時 AOR 依次為 98% 、97%和 91%.同樣，堿度不足時 AOR 變化規律相同。說明金霉素對硝化細菌有抑制作用，導致 AOR 不斷減小。金霉素屬四環素類抗生素，該類抗生素能與細菌核糖體30S 亞基的 A 位置結合，干擾30S 小亞基與氨基酰 tRNA 結合，使得氨基酰 tRNA 不能進入 mRNA上的受位，導致細菌蛋白質合成受阻從而抑制細菌活性。

25 ℃ 、未添加金霉素時，堿度過量 1 /3 對 AOR影響不大，但當 ALK/N 從 7. 14 下降到 0 時，AOR 從98% 下降至約 25% .金霉素濃度分別為 5,20 mg / L時，當 ALK/N 從 9. 28 下降到 0 時，AOR 分別從 98%和 90% 下降到 29% 和 27%.即隨著堿度的下降，AOR 下降。

比較圖 2 可以發現： 兩者的總體變化趨勢相同，但略有差別?？傮w上 AOR 隨著堿度的減小而降低。除堿度過量 1/3,30 ℃組 AOR 比 25 ℃組稍低外，其他堿度相同的條件下，30 ℃組 AOR 比 25 ℃組稍高。主要原因為在 10 ~30 ℃時，硝化細菌的活性隨著溫度升高而升高[10-11].另外，在相同的金霉素濃度梯度下，25 ℃ 時金霉素對氨氧化菌（ ammonia oxidizingbacteria,AOB） 和亞硝酸鹽氧化菌 （ nitrite oxidizingbacteria,NOB） 的抑制效果較 30 ℃ 時明顯。其原因可能是溫度對金霉素水解作用的影響，隨著溫度升高，金霉素水解率增大。當 pH =7,溫度分別為7,2,35 ℃ 時，金霉素的半衰期分別為 429,16,< 6 h[12],即隨著溫度的增加，金霉素的半衰期減小。因此經過水解作用后，30 ℃ 組中的金霉素濃度梯度比 25 ℃ 組小，故對 AOR 影響差別較小。

2. 2 金 霉 素 和 堿 度 對 亞 硝 態 氮 積 累 率 （ nitriteaccumulation rate,NAR） 的影響

不同溫度下金霉素和堿度對 NAR 的影響如圖 3所示。

25 ℃ 、堿度充足條件下，未添加金霉素時，NAR幾乎為 0; 金霉素濃度提高到 5 mg/L 時，NAR 為59% ; 繼續提高金霉素濃度至 20 mg / L,NAR 為70% .同樣，堿度不足時 NAR 變化規律相同，即隨著金霉素濃度增加，NAR 逐漸上升。說明 25 ℃時金霉素對 NOB 的抑制作用大于 AOB,出現亞硝態氮累積。

Susan Schmidt 等[13]在研究抗生素對硝化過程的影響中發現，當混合抗生素濃度在20 ~30 mg/L 時，硝化過程的產物主要為亞硝態氮，只有少量的硝態氮生成。且有文獻報道通過控制溫度、pH、溶解氧、FA、FNA、抑制物、曝氣時間等[14-16]可以實現短程硝化，而本研究發現通過控制金霉素的濃度也可以實現短程硝化。由于中溫（ 30 ℃ 以上） 有利于 AOB 生長，所以NAR 在 30 ℃ 時比在 25 ℃ 時更高。30 ℃ 時 AOB 比NOB 增殖快，當氨氮轉化為亞硝態氮之后停止曝氣，控制生化反應時間，可出現亞硝態氮的累積。從圖 3可以看出： 同樣條件下 30 ℃時 NAR 都高于25 ℃，而投加金霉素后，兩者之間的差別更大。30 ℃時，即使ALK / N 降低到 2. 38 （ 堿度不足 2 /3） ,但是投加了金霉素的系統，NAR 仍可維持在 76% 以上。說明溫度和金霉素的共同作用可致使亞硝態氮累積。但當堿度嚴重不足時，由于整個硝化系統均受到破壞性影響，AOR 變差，NAR 也隨之降低。

2. 3 氨氮平均降解速率的變化

不同溫度下金霉素和堿度對氨氮平均降解速率的影響如圖 4 所示。

從圖 4 可以看出： 金霉素對氨氮平均降解速率影響較大。25 ℃、堿度充足的條件下，金霉素濃度分別為 0,5,20 mg/L 時，氨氮平均降解速率分別為 7. 94,7. 38,6. 49 mg / （ g·h） .即隨著金霉素濃度的增加，氨氮平均降解速率下降，且在不同堿度條件下，變化趨勢相似。25 ℃ 、金霉素為 0 mg / L 的條件下，當 ALK / N 從9. 28 降至 0 時，氨氮平均降解速率從 8. 02 mg / （ g·h）減小到 2. 30 mg/（ g·h） .即隨著堿度的減少，氨氮平均降解速率下降，且在不同金霉素濃度下，變化趨勢相似。

從圖 4 還可以看出： 在不同金霉素濃度和堿度條件下，氨氮平均降解速率在30 ℃均高于25 ℃。這主要是因為溫度會影響硝化細菌對底物的利用速率。

AOB 在 293 K 時最大比氧化速率為 0. 80 d- 1,溫度修正系數為 0. 094 K- 1[17],將數據代入硝化細菌對底物的利用速率公式，可得 AOB 的比氧化速率在 25,30 ℃ 時分別為 1. 280,2. 048 mg / （ mg·h） .故 30 ℃時其氨氮平均降解速率較 25 ℃時高。

2. 4 FA 和 FNA 的變化

FA 和 FNA 對 AOB 和 NOB 均有抑制作用，但NOB 對 FA 和 FNA 更敏感。FA 對 AOB 和 NOB 的抑制濃度分別為 8 ~ 120 mg/L 和 0. 08 ~ 0. 82 mg/L,FNA 對 AOB 和 NOB 的 抑 制 濃 度 分 別 為 0. 2 ~2. 8 mg / L 和 0. 06 ~ 0. 83 mg / L[11].根據式 （ 4） 和式（ 5） 可得： 在溫度為 25,30 ℃下，金霉素為 0 mg/L時，FA 濃度變化如圖 5 所示。

FA 濃度隨堿度的降低而逐漸降低，且 30 ℃ 時較25 ℃ 高。30,25 ℃ 時，隨著 ALK / N 從 9. 28 降至 0,ρ（ FA） 分別從 3. 4,2. 5 mg / L 降至 0. 7,0. 5 mg / L.故FA 處于抑制 NOB 但不抑制 AOB 的范圍內，對 NAR有一定的貢獻。但從圖 3 可以看出，25 ℃、金霉素為0 mg / L、ALK / N = 9. 28 時，NAR 約為 6% ,隨著堿度繼續下降，NAR 幾乎為 0.故 FA 對 NAR 的貢獻較小，不是抑制 NOB 的主要因素。

計算所得 FNA 最大值為 0. 003,遠低于 FNA 對AOB 和 NOB 的抑制濃度，對 AOB 和 NOB 的抑制作用均可忽略。

3 結 論

1） 金霉素可抑制 AOB 和 NOB 的活性。堿度充足、金霉素分別為 0,5,20 mg/L 時，隨著金霉素濃度增加，AOR 下降。在堿度不足時，AOR 變化規律相同。30 ℃ 時，金霉素濃度對 AOR 的影響比 25 ℃時小。

2） 25 ℃ 時，出現亞硝態氮的累積主要是由于金霉素對 NOB 的抑制作用大于 AOB,NAR 隨著金霉素濃度增加而逐漸上升。在堿度不足時，表現出相同趨勢。

3） 30 ℃ 時，不同堿度條件下，反應器出現亞硝態氮累積的原因不同。未投加金霉素的系統，出現亞硝態氮累積是由溫度導致的。而投加金霉素的系統，出現亞硝態氮累積的原因是溫度和金霉素共同作用的結果，且其亞硝態氮累積率較未投加金霉素的系統高。

4） 在相同的金霉素和堿度條件下，氨氮平均降解速率在 30 ℃時較 25 ℃時高。