猪粪厌氧发酵中砷的形态转化特征及其驱动机制

集约化养殖场畜禽粪便已成为农业污染的主要来源之一。利用厌氧发酵工艺产沼气能够使有机废弃物资源化、减量化和无害化，在我国发展潜力巨大。但粪便中的砷在厌氧发酵过程中形态不断发生变化，对发酵残留物农田利用的生物安全产生很大的风险。阐明畜禽粪便在厌氧发酵过程中砷的形态转化特征及其驱动机制是采取合理除砷措施的理论基础和前提条件。本项目以猪粪为研究对象，通过室内模拟实验，并应用两相厌氧发酵工艺、液相色谱-氢化物发生-原子荧光联用技术（LC-HG-AFS）和微生物分子生物学手段，研究不同进料浓度和发酵温度条件下砷的化学及赋存形态转化特征，探讨厌氧发酵过程中胶体的形成及稳定性对砷吸附和分布的作用，重点分析发酵过程中硫酸盐还原菌和产甲烷菌对硫化砷的形成和砷的甲基化的驱动机制。为下一步畜禽粪便沼液中砷的生物去除处理提供理论依据，对沼液的无害化和资源化利用具有重要的科学意义。

集约化养殖场畜禽粪便已成为农业污染的主要来源之一。利用厌氧发酵工艺产沼气能够使有机废弃物资源化、减量化和无害化，在我国发展潜力巨大。但粪便中的砷在厌氧发酵过程中形态不断发生变化，对发酵残留物农田利用的生物安全产生很大的风险。要对畜禽粪便沼液中的砷进行量化评估以及减量化和无害化处理，需要明确的问题是：（1）畜禽粪便经厌氧发酵后有原有的砷有多少保留在沼液和沼渣中？损失的砷以何种形式释放？（2）残留的砷在胶体上吸附和解吸的驱动因子是什么？（3）硫酸还原菌和甲烷菌对厌氧发酵过程中砷的赋存形态起着怎样的调控作用？阐明畜禽粪便在厌氧发酵过程中砷的形态变化特征及其驱动机制是采取合理除砷措施的理论基础和前提条件。本项目以猪粪便为研究对象，通过室内模拟实验，并应用两相发酵工艺、液相色谱-氢化物发生-原子荧光联用技术（LC-HG-AFS）和微生物分子生物学手段，研究不同进料浓度和发酵温度条件下砷的化学形态转化特征，探讨厌氧发酵过程中胶体的形成及稳定性对砷吸附和沉淀的作用，重点分析发酵过程中的硫酸还原菌和产甲烷菌对砷的还原及甲基化的驱动机制。在项目实施过程中，主要完成了以下几个方面的研究：（1）探讨了不同进料浓度和发酵温度条件下，猪粪厌氧发酵过程中砷的形态变化。确定了TS=4％，发酵温度为35℃条件下，猪粪沼液中总As浓度显著低于进料，降幅为61.4%；而沼渣中总As浓度显著高于进料，约为进料的8倍；试验结束后，总As约有10%的损失；（2）揭示了厌氧发酵过程中砷在胶体上吸附-解吸的影响因子。猪粪沼液中溶解态As约占总量的22.9%，较进料降低46.1%（P ≤ 0.05）， As(V)的干质量较发酵前降低60.2%，而As(III)较发酵前增加136.8%。猪粪沼渣中酸溶态/可交换态As（62.1%）>可还原态As（25.1%）>可氧化态As（6.8%）>残渣态As（5.8%），变幅均不显著。开发了厌氧发酵过程中添加Fe(II)降低沼液中砷含量的阻断技术（已获得发明专利一项ZL 201310220634.3）；（3）探讨了厌氧发酵过程中产甲烷菌和硫酸还原菌对猪粪中砷形态的转化的驱动机制，开发了氧化塘对沼液中重金属的削减技术。研究结果得到同行的认可，以第一作者发表研究论文3篇，其中2篇SCI，1篇EI，另有1篇EI待刊。这些研究结果为下一步畜禽粪便沼液中砷的深度处理提供理论依据。