厌氧反应器中有机砷降解产物的生物转化及毒性控制研究

Organoarsenic additives (roxarsone and arsanilic acid) are widely used in poultry and swine farms. Most of the added organoarsenicals in the feed was excreted into animal manure and wastewaters. During anaerobic digestion, organoarsenicals and their degradation products seriously inhibit methanogens activities, resulting in the instability of anaerobic treatment system, and also are possibly transformed into volatile arsenic, which cause health risks for workers working around. However, the mechanisms and control methods for the inhibition and transformation are still unclear. The aims of this project are to: explore the biotransformation pathway of the degradation products of organoarsenicals in anaerobic reactor, analyze the inhibition mechanisms of degradation products to methanogens activity, investigate the reason why the anaerobic granule sludge are broken by the degradation products, and optimize the technique parameters for controlling the biotransformation and inhibition. The outcome from this project will be used to guide the operation of anaerobic reactors treating organoarsenicals contaminated animal manure and wastewaters and to control the environmental risk caused by organoarsenic additives.

有机砷饲料添加剂（主要为洛克沙胂和阿散酸两种）被广泛应用于肉鸡和肉猪等养殖业中，饲料中添加的有机砷绝大部分进入畜禽粪便和养殖废水。在畜禽粪便和养殖废水厌氧生物处理过程中，有机砷及其降解产物严重抑制甲烷古菌的产甲烷活性，导致厌氧处理系统不稳定，并可能会进一步转化生成挥发性砷，威胁工作人员的健康，但人们对一过程产生的机理及其控制方法尚不清楚。本课题以厌氧生物反应器中的有机砷及其降解产物为对象，研究其在厌氧生物反应器内生物转化的途径，分析其抑制甲烷古菌产甲烷活性的机理，解析其破坏厌氧颗粒污泥结构的原因，考察工艺参数对其生物转化和抑制产甲烷活性的影响。旨在实现通过调节厌氧生物反应器工艺参数和环境条件，控制挥发性砷的产生和释放，减少对厌氧颗粒污泥结构的破坏，减轻对甲烷古菌产甲烷活性的抑制。本课题的开展将对处理含有机砷养殖废水废弃物厌氧反应器的稳定运行、控制有机砷污染导致的环境风险具有重要的意义。

洛克沙胂和阿散酸是畜禽养殖业中广泛使用的有机砷饲料添加剂。动物食用含有机砷饲料后，绝大部分有机砷都随粪便排出，进入养殖废水和废弃物中，一旦排放到环境中，便会造成严重的环境砷污染。目前有机砷在废水和废弃物厌氧生物处理过程中的降解转化尚不明确。本课题以洛克沙胂和阿散酸为对象，采用批次实验和连续流反应器相结合，考察了有机砷对厌氧消化性能的影响，明确了洛克沙胂和阿散酸对厌氧产甲烷活性均具有严重的抑制作用，分析了洛克沙胂厌氧生物降解途径；研究了洛克沙胂对厌氧颗粒污泥的影响，揭示了厌氧颗粒污泥的微观结构、胞外聚合物分布及群落结构的变化过程；定量评估了处理洛克沙胂废水的厌氧颗粒污泥中砷的沉积，明晰了污泥中沉积砷的形态分布。研究了含洛克沙胂废水的厌氧反应器中砷的挥发，分析了洛克沙胂含量、污泥与洛克沙胂的接触时间和挥发性脂肪酸在砷挥发过程中的重要作用，建立了砷挥发与arsM基因之间的相关性；分析并阐明了电刺激耦合硫酸盐还原生物电化学系统强化洛克沙胂降解，同时原位固定无机砷的可行性及机理；探究了阿散酸和Cu2+在厌氧消化过程中的生物毒性，并建立了有效的方法控制其毒性。本项目研究成果揭示了有机砷的厌氧生物降解转化及其危害，为有机砷污染的养殖废水和废弃物处理过程中无机砷的原位固定和毒性控制提供了方法。