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洛克沙胂(4-羟基-3-硝基苯胂酸)是典型的有机砷饲料添加剂,能够促进动物生长、提高饲料利用率和防治球虫病感染。洛克沙胂在畜禽养殖场中的广泛使用产生了大量含砷废水。通常采用厌氧生物技术处理畜禽养殖废水。但是,废水厌氧生物处理过程中洛克沙胂的降解转化及其污染控制仍需进一步探究。本论文围绕含洛克沙胂废水的厌氧生物处理,基于连续型厌氧反应器和批次厌氧消化实验,考察了洛克沙胂在厌氧反应器中的降解规律及其对厌氧颗粒污泥(anaerobic granular sludge,AGS)的影响;解析了处理含洛克沙胂废水的AGS中砷的富集及其赋存形态;探讨了含洛克沙胂的厌氧反应器中砷挥发的影响因素及其机制;探究了电刺激耦合硫酸盐还原强化洛克沙胂降解,同时原位固定无机砷的可行性及其工作原理。具体内容如下:1.通过运行420天上流式厌氧污泥床(upflow anaerobic sludge blanket,UASB)反应器,研究了 19.0 μM洛克沙胂的厌氧降解转化及其对产甲烷活性、污泥结构和群落分布的影响。在反应器运行的420天期间,添加洛克沙胂的反应器的甲烷产量在第260天时降低了 40%左右,随后逐渐恢复,这主要是由于乙酸营养型产甲烷活性受到洛克沙胂及其降解产物的影响。洛克沙胂的降解产物分析表明,洛克沙胂的硝基和砷酸基团先后被还原为氨基和亚砷酸基团,再脱去氨基和羟基,最后C-As键断裂降释放出无机砷。在19.0 μM洛克沙胂的作用下,AGS粒径逐渐减小,最终稳定在1.20-1.26 mm,相当于初始粒径的69.4-72.8%。AGS表面逐渐形成一层多糖蛋白的包裹层,且出现剥落现象。洛克沙胂对细菌群落结构影响较小,但对古菌的丰度和组成影响显著。乙酸营养型产甲烷菌Methanothrix先受到抑制,然后其丰度逐渐增加,成为了最主要的产甲烷菌。本研究结果对含有机砷废水的厌氧处理,具有参考价值。2.通过砷的物料衡算和系列提取的方法,分析了处理含洛克沙胂废水的AGS中砷的富集及其赋存形态。反应器进水和出水的总砷含量分别为3.76 mg·L-1和2.88 mg·L-1。反应器中砷的挥发速率为134.93 ng·d-1。砷的物料衡算的结果表明,进水中23.40%的砷在AGS中富集。反应器厌氧污泥床底部和顶部AGS中砷的含量存在显著差异,分别为5276.90mg·kg-1和10661.92mg·kg-1(以AGS干重计)。其中,约50%的砷在酸性条件下难以溶出。AGS中65%以上的可溶性砷分布在胞外,其主要形态为As(III)和As(V)。凭借场发射扫描电子显微镜能谱仪(field emission scanning electron microcopy-energy disperse spectroscopy,FESEM-EDS)和 X 射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)等元素分析和光谱分析技术深度解析了 AGS中的沉淀砷主要以结晶态As4S4存在。该研究结果有助于评估AGS中砷的富集对厌氧反应器性能的影响及污泥处置过程中砷释放的风险。3.从影响因素、arsM基因和微生物群落结构等方面研究了处理含洛克沙胂废水的厌氧反应器中砷的挥发。影响因素包括洛克沙胂含量、AGS与洛克沙胂的接触时间和挥发性脂肪酸(volatile fatty acids,VFAs)含量。研究表明,添加20 mg·L-1洛克沙胂所造成的最大挥发性砷产率为6.78 ng·g-1-VSS·d-1,是未添加洛克沙胂的对照组的近5倍。有机砷降解为无机砷后,砷挥发速率显著增加。接触洛克沙胂160天和270天的AGS的最大挥发性砷产率分别为未接触洛克沙胂的6倍和8倍。当洛克沙胂降解为无机砷后,VFAs含量与砷挥发呈正相关(r=0.83-0.95;p<0.05)。经过100天的厌氧处理后,AGS中arsM基因的丰度增加了 34.62-129.05%,其丰度与砷挥发量呈强相关性。随着洛克沙胂的投加和AGS接触洛克沙胂的时间的增加,砷转化相关的微生物的丰度逐渐增加。该研究结果有助于评估含有机砷养殖废水厌氧处理过程中砷挥发的风险。4.将硫酸盐还原和电刺激相结合,构建了硫酸盐还原耦合的生物电化学体系(bio-electrochemical system,BES),研究了该体系强化降解洛克沙胂,同时原位固定无机砷的可行性及其机理。结果表明,在厌氧消化对照组中洛克沙胂及其还原产物HAPA等有机砷在32天内降解率不足85%,而在电刺激和硫酸盐还原联合作用下,有机砷在13-22天内完全降解。硫酸盐还原耦合的BES中75.0-83.2%的砷被有效固定,显著高于厌氧消化对照组(46.7-57.3%)。硫酸盐还原与电刺激的协同作用强化了 HAPA的降解和硫离子驱动的无机砷沉淀。双室BES实验结果表明,As(V)和硫酸盐由阳极向阴极迁移,在阴极附近生成难溶性含砷硫化物,经XRD分析,主要以结晶态阿硫砷矿的形式存在。硫酸盐还原耦合的BES为有机砷废水的砷的固定提供了新的方案。