許彩云，靳紅梅，杜靜，常志州，黃紅英，周立祥

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095；2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇省農(nóng)業(yè)廢棄物資源化工程技術(shù)研究中心，南京 210014；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用華東科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210014）

水力停留時(shí)間對(duì)豬糞厭氧發(fā)酵殘留物中磺胺類抗生素分布的影響

許彩云1，2，靳紅梅2，3*，杜靜2，3，常志州2，3，黃紅英2，3，周立祥1*

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095；2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇省農(nóng)業(yè)廢棄物資源化工程技術(shù)研究中心，南京 210014；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用華東科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210014）

針對(duì)厭氧消化中磺胺類抗生素（SAs）殘留及在沼渣、沼液中分配特征不清等問(wèn)題，以豬糞為發(fā)酵原料，采用完全混合式反應(yīng)器（CSTR）在中溫（37±1℃）條件下進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)，探討不同水力停留時(shí)間（HRT）對(duì)磺胺嘧啶（SD）、磺胺二甲嘧啶（SM）和磺胺氯噠嗪（SCP）的去除及其在固/液相中分配的影響。研究結(jié)果表明：厭氧消化對(duì)3種SAs的去除率表現(xiàn)為SM＞SD＞SCP。水力停留時(shí)間（HRT）=20 d時(shí)，豬糞中3種SAs的去除率均達(dá)90%以上；HRT=15 d時(shí)，三者的去除率均有所下降，特別是SCP去除率降為72.8%左右。厭氧發(fā)酵后殘留的抗生素主要分布在豬糞沼渣中，其中SCP在沼渣中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，HRT=15 d的處理中，SM和SCP的固/液分配比率明顯高于HRT=20 d的處理。厭氧消化過(guò)程中不同磺胺類抗生素的降解過(guò)程和影響因子存在差異，延長(zhǎng)反應(yīng)體系中抗生素與厭氧微生物作用的反應(yīng)時(shí)間，對(duì)中溫厭氧消化過(guò)程中SAs的去除有積極的作用。為降低其環(huán)境危害，豬糞沼渣在還田利用前應(yīng)進(jìn)一步消減其中殘留的SAs。

磺胺類抗生素；水力停留時(shí)間；沼液；沼渣；分布

我國(guó)畜禽養(yǎng)殖年消耗各類抗生素9.68萬(wàn)t，居世界首位[1]。畜禽攝入的抗生素有30%～90%以母體代謝物的形式排出體外[2-4]，導(dǎo)致畜禽糞尿和沖洗水中抗生素含量過(guò)高，通過(guò)農(nóng)田施用或隨意排放進(jìn)入環(huán)境[5]，不僅對(duì)動(dòng)、植物有直接的生物毒性，而且給環(huán)境中的細(xì)菌帶來(lái)選擇壓力，造成抗性細(xì)菌的累積和抗性基因（ARGs）的傳播，被認(rèn)為是生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)極高的新型污染物[6]。我國(guó)是生豬養(yǎng)殖大國(guó)，截至2013年生豬年飼養(yǎng)總量（出欄+存欄）已超過(guò)11億頭[7]。隨著養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴(kuò)大，豬場(chǎng)產(chǎn)生的糞尿及污水也相對(duì)集中，豬糞水的處理已成為畜禽污染處理和防治重點(diǎn)[8]。磺胺類藥物（Sulfonamides，SAs）是規(guī)模豬場(chǎng)最為廣泛使用的獸用抗生素之一[9]，在豬糞水中的殘留量和檢出率均較高。以江蘇為例[10]，在13個(gè)市內(nèi)選取的80份豬場(chǎng)糞便樣品中，以磺胺二甲嘧啶（SM）檢出率最高，達(dá)到50%以上，磺胺氯噠嗪（SCP）、磺胺嘧啶（SD）檢出率也均高于30.0%，三者的平均殘留量分別為34.0、49.0、69.0 μg·kg-1。豬場(chǎng)糞污中SAs及其攜帶的大量ARGs在周邊土壤和水體中的檢出率、含量和危害遠(yuǎn)高于其他獸用抗生素[11-12]。

沼氣工程是我國(guó)規(guī)模豬場(chǎng)糞污處理的重要環(huán)節(jié)[8，13]。截至2012年末全國(guó)大中型豬場(chǎng)沼氣工程的覆蓋率已達(dá)52.6%（約為1.28萬(wàn)處），發(fā)酵殘留物（即沼液和沼渣）總量超過(guò)1.30×109t，大部分未經(jīng)處理就直接還田或排放[8]。由于抗生素對(duì)大多數(shù)細(xì)菌具有抑制和殺滅作用，采用厭氧消化等生物處理技術(shù)并不能將其完全去除[14]。Mitchell等[15]通過(guò)序批式試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，中溫厭氧發(fā)酵對(duì)牛糞中SM未有降解。Mohring等[16]以豬糞為原料，經(jīng)34 d中溫厭氧消化后發(fā)現(xiàn)，SD、SMR（磺胺甲嘧啶）、SMX（磺胺甲惡唑）、SMDP（磺胺地索辛）、TMP（甲氧芐胺嘧啶）幾乎全部被去除，而SM和SCP未觀察到有降解。處理工藝和反應(yīng)條件是影響厭氧發(fā)酵中SAs降解的關(guān)鍵因子[17]。田世烜等[18]利用UASBSBR工藝去除生活污水中SM的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，厭氧處理對(duì)SM的平均去除率僅為35.0%。Chen等[19]對(duì)豬場(chǎng)厭氧消化處理、兼氧-好氧生物處理出水中獸用抗生素的消減規(guī)律研究表明，生物處理技術(shù)對(duì)SD的去除率不足10.0%。盡管Sponza等[20]研究認(rèn)為升流式厭氧污泥床（UASB）和完全混合式反應(yīng)器（CSTR）厭氧發(fā)酵工藝對(duì)藥廠廢水中SMR的去除率可達(dá)90.0%，但由于藥廠廢水中SAs含量（10-6級(jí)）遠(yuǎn)高于養(yǎng)殖糞污和污水中SAs含量（10-9級(jí)），發(fā)酵殘留物中SAs濃度仍然過(guò)高?？梢?，厭氧發(fā)酵殘留物中仍可能含有高濃度的SAs，但對(duì)殘留的SAs在沼液和沼渣中如何分布尚不清楚。這將影響畜禽糞污發(fā)酵殘留物后續(xù)無(wú)害化處理工藝選擇和農(nóng)田利用環(huán)境安全性評(píng)價(jià)。

目前，國(guó)內(nèi)外大型沼氣工程以中溫CSTR厭氧發(fā)酵工藝應(yīng)用最為廣泛，也是我國(guó)高濃度畜禽糞污處理沼氣工程主導(dǎo)工藝之一[13]。在此工藝條件下，水力停留時(shí)間（HRT）是影響厭氧反應(yīng)體系緩沖能力和穩(wěn)定性、物料降解程度及微生物活性的重要指標(biāo)[17，21]。根據(jù)前期的調(diào)查結(jié)果分析[13]，江蘇省畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)大中型沼氣工程的HRT普遍為15～20 d?；诖?，本研究以豬糞為發(fā)酵原料，采用CSTR工藝在中溫（37±1℃）條件下進(jìn)行室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，探討HRT=20 d和HRT=15 d條件下，SD、SM和SCP的殘留水平及其在固/液相中的分配特征，以期為厭氧發(fā)酵條件下規(guī)模豬場(chǎng)糞污中抗生素的有效去除提供理論支撐，為沼液和沼渣農(nóng)田安全利用的環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與裝置

豬糞取自江蘇省金壇市某規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)，一次性取樣，0～4℃冷藏備用。豬糞總固體（TS）、揮發(fā)性固體（VS）、總有機(jī)碳（TOC）、總氮（TN）和總磷（TP）含量分別為24.3%、79.9%、34.6%、2.01%和1.97%，僅檢測(cè)出金霉素（37.3 μg·kg-1干重），未檢出磺胺類抗生素。厭氧發(fā)酵接種物為本實(shí)驗(yàn)室污泥罐排出液（發(fā)酵底物為新鮮豬糞），經(jīng)紗布過(guò)濾后于（37±1）℃下保存待用。接種物的TS為3.28%，VS為65.28%，pH為7.78。

厭氧發(fā)酵裝置采用自行設(shè)計(jì)的CSTR（圖1），材質(zhì)為有機(jī)玻璃，總?cè)莘e為12.5 L（內(nèi)徑20 cm、高40 cm），有效容積10.0 L。反應(yīng)器采用雙層夾套，用恒溫水浴鍋為反應(yīng)器保溫。反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有攪拌器，機(jī)械密封，攪拌器電機(jī)和定時(shí)開關(guān)相連接，采用上方進(jìn)料、下方出料的形式，各由一個(gè)閥門進(jìn)行控制。

圖1 完全混合式反應(yīng)器（CSTR）示意圖Figure 1 Schematic diagram of the CSTR in this study

1.2 運(yùn)行及測(cè)定方法

1.2.1 運(yùn)行方法

試驗(yàn)采用半連續(xù)發(fā)酵方式，HRT分別為20 d和15 d。整個(gè)試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為91 d，分為啟動(dòng)期和穩(wěn)定運(yùn)行期。啟動(dòng)階段（S0）自2015年8月20日開始，向上述CSTR中一次性進(jìn)料800 g（干物質(zhì)），同時(shí)加入接種污泥調(diào)節(jié)各處理的TS負(fù)荷均為8.0%，通入氮?dú)?5 min以除去反應(yīng)器內(nèi)的空氣，密封。反應(yīng)器通過(guò)水浴夾套進(jìn)行加溫，水浴溫度保持在（37±1）℃。采用間歇攪拌，每2 h攪拌一次，每次持續(xù)時(shí)間為5 min，攪拌頻率為20 r·min-1。運(yùn)行21 d后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)行半連續(xù)進(jìn)料試驗(yàn)。

穩(wěn)定運(yùn)行階段：（1）HRT=20 d時(shí)（S1），每日一次性進(jìn)料500 mL，TS=8.0%。在進(jìn)料中加入SD、SM和SCP的混合液（純度＞98%，購(gòu)自百靈威科技有限公司，用超純水配制成10 mg·L-1的抗生素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液），使其在進(jìn)料中的濃度為10 μg·L-1（根據(jù)前期豬場(chǎng)沼氣工程進(jìn)料中抗生素的調(diào)查結(jié)果）。每日定時(shí)進(jìn)料，同時(shí)出料500 mL，每4 d將出料經(jīng)離心后固液分離，液體為沼液，固體為沼渣，均在-18℃條件下保存。（2）HRT=15 d時(shí)（S2），各處理每日進(jìn)料667 mL，TS=8.0%，同時(shí)出料667 mL?？股靥砑訚舛燃斑\(yùn)行方法同S1，每3 d將出料經(jīng)固液分離后在-18℃條件下保存。每個(gè)HRT各運(yùn)行2個(gè)周期，取數(shù)據(jù)平均值用于分析。整個(gè)試驗(yàn)共有樣本20個(gè)（n=20），分析其中的各項(xiàng)指標(biāo)。每日監(jiān)測(cè)產(chǎn)氣量及甲烷含量，確保反應(yīng)正常進(jìn)行。

1.2.2 分析方法

基本理化指標(biāo)：（1）TS采用105℃烘24 h，差重法測(cè)定[17]；（2）VS采用550℃馬弗爐灼燒4 h，差重法測(cè)定[17]；（3）日產(chǎn)氣量采用排水法測(cè)定[17]；（4）產(chǎn)氣中的甲烷含量采用GC9890A/T氣相色譜儀分析（TCD檢測(cè)器），檢測(cè)器溫度120℃，進(jìn)樣器為平面流通閥，分析柱為TDC-01Φ4×1 m，柱溫100℃，載氣為氫氣，流速50 mL·min-1，定量管1 mL，標(biāo)準(zhǔn)氣體為氮?dú)猓ê?2.4%甲烷+28.4%二氧化碳），分析方法為外標(biāo)法；（5）消化液的pH采用玻璃電極法（GB 6920—1986），化學(xué)需氧量（COD）采用重鉻酸鉀氧化法（GB 11914—1989），氨氮（NH3-N）采用納氏試劑分光光度法（HJ 535—2009），揮發(fā)性有機(jī)酸（VFA）采用氣相色譜儀（GC—2014，日本島津）。

磺胺類抗生素：采用超高效液相色譜/串聯(lián)質(zhì)譜法測(cè)定[22]。出料首先固液分離，提取和凈化方法為：沼液經(jīng)0.45 μm玻璃纖維濾膜過(guò)濾，取500 mL加入10 μL內(nèi)標(biāo)（磺胺二甲嘧啶，98.0%，購(gòu)自加拿大多倫多研究化學(xué)品公司）以及0.4 g EDTA，立即儲(chǔ)存在4℃條件下。用甲酸調(diào)節(jié)提取液至pH 2.0～3.0，過(guò)經(jīng)活化的HLB固相萃取柱，控制流速為3～5 mL·min-1。之后用超純水沖洗HLB柱，抽真空以去除柱中殘留水分，然后將HLB柱在氮?dú)獗Ｗo(hù)下干燥10 min。最后以2 mL甲醇洗脫3次，收集洗脫液，并在室溫下用氮?dú)獯抵两?，用乙?0.2%甲酸（1∶9，V/V）混合液定容至1 mL，渦旋振蕩2～3 min，18 000 r·min-1離心10 min，取上清液待分析。

沼渣置于-40℃冷凍一周后，使用冷凍干燥儀進(jìn)行干燥。研磨干燥沼渣，過(guò)250 μm孔徑尼龍篩，置于-40℃存放。準(zhǔn)確稱?。?±0.01）g研磨樣品于50 mL離心管中，加入10 μL內(nèi)標(biāo)物質(zhì)，并加入0.4 g EDTA以及混合提取液[磷酸鹽緩沖液（pH3）/乙腈，1∶1，V/V] 30 mL，渦旋2 min，超聲提取20 min，4℃下8000 r· min-1離心8 min，收集上層提取液。反復(fù)提取2次后，合并提取液并混勻。用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀旋蒸（220 Pa，50℃）提取液，直至剩余30 mL以下，用蒸餾水稀釋到200 mL，用甲酸調(diào)至pH 2.8～3.0，將稀釋液用100 mL正己烷萃取2次，脫去糞便中的脂肪，之后過(guò)0.45 μm玻璃纖維微孔濾膜。提取液用SAX-HLB串聯(lián)固相萃取柱凈化與富集，過(guò)柱完成后去除SAX柱，其余處理過(guò)程與液體方法相同。詳細(xì)步驟參照郭欣妍等[22]。

利用ACQUITYTM超高效液相色譜儀-Quattro Premier XE質(zhì)譜儀（美國(guó)Waters公司），配MassLynx V.4.1軟件Waters Acquity和UPLC BEH C18色譜柱（100 mm×2.1 mm，1.7 μm），測(cè)定上清液中抗生素的含量。MS檢測(cè)條件：電噴霧離子源（ESI），離子源溫度120℃，脫溶劑溫度380℃，脫溶劑氣和錐孔氣為氮?dú)?，脫溶劑氣流?00 L·h-1，錐孔氣流速50 L·h-1，碰撞氣為高純氬氣，采用多反應(yīng)監(jiān)測(cè)模式（MRM）檢測(cè)。ESI-MS/MS選擇性反應(yīng)正離子源檢測(cè)，進(jìn)樣量5 μL。HPLC測(cè)定時(shí)柱溫35℃，流動(dòng)相為乙腈（A）和0.2%（V/V）甲酸（B），流速0.3 mL·min-1，測(cè)定時(shí)采用的流動(dòng)相梯度為：0～7 min，10%～40%A；7～9 min，40%～60% A；9～9.01 min，60%～10%A；9.01～12 min，10%A。

1.3 數(shù)據(jù)分析

相同HRT條件下各指標(biāo)在不同處理間的差異采用單因素方差分析（ANOVA），均值比較采用最小顯著差法（LSD），顯著性水平α=0.05；同一處理組不同HRT間的差異采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)分析軟件為SPSS 21.0。

表1 進(jìn)、出料中總物質(zhì)質(zhì)量及干物質(zhì)質(zhì)量（kg）Table 1 Total mass and dry mass of influent and effluent during the anaerobic digestion（kg）

圖2 各處理日均容積產(chǎn)氣率和甲烷體積分?jǐn)?shù)Figure 2 Daily volume biogas yield and volume fraction of CH4in biogas during anaerobic digestion of three treatments

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)氣特性

各處理厭氧消化容積產(chǎn)氣率和甲烷體積分?jǐn)?shù)如圖2所示?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)3周的啟動(dòng)階段（S0），系統(tǒng)逐步穩(wěn)定。至啟動(dòng)期結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)累積產(chǎn)氣率達(dá)286 mL·g-1VS。半連續(xù)發(fā)酵S1階段，添加物料后系統(tǒng)在第21 d產(chǎn)氣達(dá)到正常水平，之后日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在1.40 L·L-1·d-1左右，累積VS產(chǎn)氣率為428 mL·g-1；S2階段日均容積產(chǎn)氣率略高于S1階段，約為1.70 L·L-1·d-1，累計(jì)VS產(chǎn)氣率為380 mL·g-1。厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)在第7 d即達(dá)到60.0%以上，半連續(xù)進(jìn)料階段由于新物料的加入對(duì)原發(fā)酵系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷的沖擊，系統(tǒng)的甲烷含量均有不同程度的下降，但總體維持在65.0%左右。S1階段產(chǎn)甲烷總量為340 L，S2階段總量為308 L。從整個(gè)運(yùn)行階段的產(chǎn)氣率和甲烷含量來(lái)看，各處理的厭氧消化過(guò)程均正常，并沒有因?yàn)榭股氐奶砑佣绊憛捬跷⑸锘净钚?；但HRT=20 d（S1）時(shí)，發(fā)酵體系的累計(jì)VS產(chǎn)氣率和產(chǎn)甲烷量均高于HRT= 15 d的處理，分別提高12.4%和10.4%。

2.2 發(fā)酵液理化特性

半連續(xù)發(fā)酵階段進(jìn)料及沼液、沼渣的總質(zhì)量詳見表1。不同HRT條件下，出料中固相和液相的質(zhì)量無(wú)明顯差異。但在厭氧消化過(guò)程中，微生物及其驅(qū)動(dòng)的理化性狀變化是影響抗生素降解最主要的因子，其中pH、COD、NH3-N、總VFA及其組分等表征厭氧消化的重要指標(biāo)[21，23-25]，均可間接反映發(fā)酵過(guò)程對(duì)SAs的降解作用。例如，pH可影響不同酸度系數(shù)的抗生素的吸附和疏水分配；COD易于與抗生素絡(luò)合或配合，直接影響SD、SM和SCP在固相中分配，并間接影響抗生素結(jié)構(gòu)及其生物降解[25]。

半連續(xù)發(fā)酵階段發(fā)酵液pH、COD和NH3-N濃度如圖3所示。S1階段發(fā)酵液pH維持在7.50～7.90范圍內(nèi)，隨著水力停留時(shí)間的縮短，單位體積內(nèi)的有機(jī)負(fù)荷增加；S2階段發(fā)酵液pH有小幅提高（圖3a），但均在正常厭氧發(fā)酵所要求的pH條件下（即6.50～8.00）[17]。進(jìn)料中平均COD為86.2 g·L-1，S1階段發(fā)酵液平均COD濃度為21.9 g·L-1，COD平均去除率為74.6%；隨著有機(jī)負(fù)荷的增加，S2階段COD去除率降低，消化液中平均COD濃度為24.3 g·L-1，COD平均去除率為71.8%（圖3b）。整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中，發(fā)酵液中NH3-N維持在1.60～3.30 g·L-1之間（圖3c），此水平NH3-N濃度不會(huì)對(duì)厭氧消化產(chǎn)生氨抑制作用。

VFA是厭氧發(fā)酵過(guò)程中關(guān)鍵的中間產(chǎn)物，主要成分為乙醇、乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等，是反映消化效果的重要調(diào)控指標(biāo)[24-25]。半連續(xù)發(fā)酵階段發(fā)酵液中有機(jī)酸組分和總VFA濃度如圖4所示。產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量的變化可從發(fā)酵液中VFA濃度變化得到驗(yàn)證?？傮w上看，消化液中以乙酸為主，其他酸含量較少，后期丙酸有所增加，說(shuō)明反應(yīng)底物的乙酸大量被厭氧微生物利用；而丙酸不易被微生物利用，因此在消化體系中積累。

圖3 厭氧發(fā)酵過(guò)程中消化液pH、COD和NH3-N的變化Figure 3 The pH,concentration of COD and NH3-N in digestates during the anaerobic digestion

圖4 各處理消化液中有機(jī)酸組分及總VFA濃度Figure 4 The concentrations of organic acids in three treatments

2.3 磺胺類抗生素的降解特征

2.3.1 沼液中SAs的濃度水平

各處理沼液中SAs濃度水平如圖5所示。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，發(fā)酵液中磺胺類抗生素的濃度變化較大。HRT=20 d和15 d時(shí)，SD的平均濃度分別為0.106 0、0.191 0 μg·L-1，SM分別為0.033 0、0.066 0 μg·L-1，SCP分別為0.040 0、0.055 0 μg·L-1?？傮w來(lái)講，除了SCP之外，水力停留時(shí)間較短時(shí)（S2）沼液中SD和SM含量顯著（P＜0.01和0.001）高于水力停留時(shí)間較長(zhǎng)的處理（S1）。這可能與較長(zhǎng)水力停留時(shí)間下微生物有更長(zhǎng)的時(shí)間降解抗生素有關(guān)。

2.3.2 沼渣中SAs的濃度水平

各處理沼渣中SAs濃度水平如表2所示?？傮w來(lái)看，沼渣中SD、SM和SCP的濃度均顯著高于其在沼液中的濃度，分別為沼液中的幾倍甚至百倍。這說(shuō)明厭氧消化過(guò)程中進(jìn)料中未被分解的抗生素在沼渣中有濃縮作用。對(duì)于不同的HRT條件，S2階段沼渣中SD、SM和SCP的濃度明顯高于S1階段，最主要的原因是HRT較短的條件下微生物無(wú)法對(duì)SAs充分降解。對(duì)于3種抗生素，SCP在沼渣中的濃度明顯高于SD和SM。這可能是由于SCP酸度系數(shù)較低（pKa 5.50），在厭氧消化過(guò)程中主要以陰離子形式存在，與沼渣的吸附較疏水分配更強(qiáng)；而SD（pKa 6.40）和SM（pKa 7.50）主要以中性分子存在，以疏水分配為主[26]。

2.3.3 SAs在固相和液相中的分配

圖5 不同HRT條件下沼液中SD、SM和SCP的濃度水平Figure 5 The concentrations of SD,SM and SCP in digestates at two HRTs

表2 沼渣中3種磺胺類抗生素的濃度Table 2 Contents of sulfonamides in solid digestates at two HRTs

經(jīng)中溫厭氧消化后，SD、SM和SCP的去除率及其殘留在固相和液相中的分配特征詳見表3。整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，各處理組中SD和SM的去除率均大于90%，而SCP的降解率略低于二者。就不同HRT而言，HRT較短的處理磺胺類抗生素的降解率均低于HRT較長(zhǎng)的處理，特別是對(duì)于SCP降幅更為明顯。這與總VFA及乙酸的變化一致，說(shuō)明厭氧消化系統(tǒng)中抗生素的去除與厭氧微生物的活動(dòng)密切相關(guān)。此外，磺胺類抗生素的乙?；x物占總量的20%～40%，會(huì)與母體化合物一同隨豬糞尿排泄到體外，在清掃、收集和進(jìn)料過(guò)程中可進(jìn)一步生成乙?；x物[27]。這些代謝物在厭氧條件下易通過(guò)生物轉(zhuǎn)化重新形成藥物原型[28]，以此為原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵，極大地增加了磺胺類代謝產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為原型的風(fēng)險(xiǎn)[29]。因此，如何有效降解SAs及其代謝物是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

表3 3種磺胺類抗生素在固相和液相中的總量及分配比例Table 3 Total mass of three sulfonamides and their distribution rates in solid and liquid digestates during anaerobic digestion at two HRTs

對(duì)于未降解的SAs而言，豬糞沼渣中的3種抗生素殘留量顯著高于沼液（即固液比＞1），其中SCP在沼渣中的分配比率最高，主要與其酸度系數(shù)較低、與沼渣的吸附分配更強(qiáng)有關(guān)[26]；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵時(shí)間較短的豬糞沼渣中抗生素殘留量大（即S2＞S1）。這說(shuō)明，與豬糞沼液相比，沼渣還田利用過(guò)程中的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)更大。因此，在發(fā)酵過(guò)程中應(yīng)使物料充分降解，同時(shí)在后續(xù)處理環(huán)節(jié)應(yīng)進(jìn)一步對(duì)沼液和沼渣中的抗生素進(jìn)行消減[30-31]，降低其環(huán)境危害。

3 結(jié)論

（1）中溫厭氧消化可大幅降低豬糞中SD、SM和SCP的含量，去除率為72.8%～98.6%。提高反應(yīng)體系的HRT對(duì)SAs和COD的去除率、累積產(chǎn)氣率及產(chǎn)甲烷總量均有積極的作用。特別是對(duì)于SCP，HRT=20 d時(shí)其去除率達(dá)到90.3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于HRT=15 d時(shí)的72.8%。

（2）豬糞沼渣中抗生素的濃度是沼液的幾倍至百倍，且沼渣中抗生素的殘留量顯著高于沼液，在后續(xù)處理中應(yīng)重點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行消減，降低其還田利用的環(huán)境危害。

（3）對(duì)于3種磺胺類抗生素而言，SD更多地分布在液相中，而SCP則在沼渣中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。增強(qiáng)底物可利用性、提高微生物活性、抑制磺胺類抗生素乙酰化代謝產(chǎn)物在厭氧條件下的生物轉(zhuǎn)化，是提高厭氧消化過(guò)程中SAs有效去除的關(guān)鍵。

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Effects of hydraulic retention time on sulfonamides distributions in anaerobic digestates of swine manure

XU Cai-yun1,2,JIN Hong-mei2,3*,DU Jing2,3,CHANG Zhi-zhou2,3,HUANG Hong-ying2,3,ZHOU Li-xiang1*
（1.College of Resources and Environmental Sciences,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China;2.Institute of Agricultural Resources and Environment,Jiangsu Academy of Agricultural Sciences;Jiangsu Agricultural Waste Treatment and Recycle Engineering Research Center,Nanjing 210014,China;3.East China Scientific Observing and Experimental Station of Development and Utilization of Rural Renewable Energy,Ministry of Agriculture;Key Laboratory of Agro-Environment in Downstream of Yangtze Plain,Ministry of Agriculture, Nanjing 210014,China）

Intensive animal husbandry is believed to be a major contributor to the increased environmental burden of antibiotics.Anaerobic digestion（AD）is an effective way to deal with manure and wastewater in intensive animal farms.Despite the volume of sulfonamides（SAs）in swine manure in China,little information is available regarding the degradation characteristics of SAs during the AD process using swine manure.In this study,bench-scale completely stirred tank reactors（CSTRs）were chosen to degrade sulfadiazine（SD）,sulfadimidine（SM）and sulfachlorpyridazine（SCP）in swine manure mixed with rice straw at mesophilic condition（37±1）℃and two hydraulic retention times（HRT）,i.e.,20 d and 15 d.The removal rates of SD,SM and SCP and their content distribution in solid and liquid digestates were analyzedduring AD.Results showed that the removal rates followed the trend of SM＞SD＞SCP.The removal rates of the three SAs were more than 90%at HRT of 20-d;while the rates decreased at HRT of 15-d,especially for SCP,which removal rate was lower than 72.8%.The residual SAs mainly existed in solid digestate during AD of swine manure,especially for SCP.Meanwhile,the distribution ratio of SAs in solid and liquid digestate was higher at HRT of 15-d compared with HRT of 20-d.Different SAs presented extinct degradation characteristics during AD.Increasing the reaction time between SAs in swine manure and substrates in digester was a key factor to stimulate SAs degradation during AD.Meanwhile,residual SAs in solid digestate of swine manure need to further remove during their land application with purpose of environmental safety.

sulfonamides（SAs）;hydraulic retention time;liquid digestate;solid digestate;distribution characteristics

X713

A

1672-2043（2016）11-2187-08

10.11654/jaes.2016-0488

2016-04-11

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAL04B05）

許彩云（1992—），男，碩士研究生，主要從事畜禽糞污厭氧發(fā)酵中有害物質(zhì)的去除研究。

*通信作者：靳紅梅E-mail：jinhm120@hotmail.com；周立祥E-mail：lxzhou@njau.edu.cn

許彩云，靳紅梅，杜靜，等.對(duì)豬糞厭氧發(fā)酵殘留物中磺胺類抗生素分布的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2016,35（11）：2187-2194.

XU Cai-yun,JIN Hong-mei,DU Jing,et al.Effects of hydraulic retention time on sulfonamides distributions in anaerobic digestates of swine manure[J]. Journal of Agro-Environment Science,2016,35（11）:2187-2194.