邵一心，顧平道

(東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201600)

近年來，在綠化面積不斷增長(zhǎng)的同時(shí)，園林綠化廢棄物的回收利用問題逐漸凸顯。現(xiàn)階段園林綠化廢棄物的處理主要停留在焚燒及填埋2種手段上，造成了極大的浪費(fèi)，少部則分用來進(jìn)行堆肥，使之轉(zhuǎn)化成有機(jī)肥料[1]。然而，利用廢棄物進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的研究較少。在進(jìn)行城市園林綠化廢棄物厭氧發(fā)酵的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵系統(tǒng)中農(nóng)藥濃度對(duì)于發(fā)酵的產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣時(shí)間等指標(biāo)有影響。因此筆者探究了農(nóng)藥與發(fā)酵過程之間的關(guān)系，并使用氣相色譜技術(shù)對(duì)發(fā)酵體系的農(nóng)藥含量進(jìn)行檢測(cè)[2-3]，研究有機(jī)磷在綠化廢棄物厭氧發(fā)酵過程中的降解。

1 材料與方法

1.1供試廢棄物與接種物以上海某大學(xué)校園內(nèi)常見園林作物——懸鈴木(英國(guó)梧桐)樹葉作為厭氧發(fā)酵底物，采用實(shí)驗(yàn)室中式中溫厭氧發(fā)酵反應(yīng)系統(tǒng)中馴化良好的豬糞作為厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的接種物[4]。底物的總固形物(TS)含量為88.1%，揮發(fā)性固體(VS)含量為25.6%；接種物的TS含量為13.35%，VS含量為76.25%。

1.2試劑與儀器氣相色譜儀：天美GC9700，檢測(cè)器FID；色譜柱：TD-5，30 m×0.25 mm×0.5 μm，C18SPE柱，真空固相萃取裝置，隔膜真空泵，氮吹儀，氫氣發(fā)生器，空氣進(jìn)樣器。農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品：中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院?；瘜W(xué)試劑：NaCl，乙腈，正己烷，丙酮，乙酸乙酯，甲醇，正丁醇，所有試劑均為分析純級(jí)別。

1.3試驗(yàn)裝置采用自行研發(fā)的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)(圖1)，建立批量式發(fā)酵產(chǎn)沼氣裝置，為了便于收集沼液并維持反應(yīng)系統(tǒng)的厭氧狀態(tài)，反應(yīng)發(fā)生裝置為特制的下口瓶，替代了從瓶口取樣的傳統(tǒng)方式。用HH-4型恒溫水浴鍋為反應(yīng)過程提供恒溫條件，選擇中溫環(huán)境發(fā)酵，發(fā)酵溫度為35 ℃[5-6]。產(chǎn)生的氣體采用排飽和食鹽水法收集。下口瓶規(guī)格為500 mL，試驗(yàn)開始前，將發(fā)酵底物懸鈴木樹葉機(jī)械粉碎至1 mm3形狀碎片，隨后向瓶中加入30 g發(fā)酵底物、70 g接種物及347 mL蒸餾水，使得整個(gè)厭氧發(fā)酵體系的總體積達(dá)到400 mL，TS含量為8%[7]。測(cè)量沼氣中甲烷含量的儀器為進(jìn)口高靈敏度甲烷二氧化碳檢測(cè)器。試驗(yàn)中滴加的農(nóng)藥為市面上常見的有機(jī)磷農(nóng)藥氧化樂果乳油(20%)。氧化樂果量為0、20、40、60、80、100、120、140、160、180、200、220、240、260、280、300、320 mg(每個(gè)濃度設(shè)置3個(gè)平行)。發(fā)酵系統(tǒng)對(duì)應(yīng)滴加量及濃度見表1。

注：A.溫度計(jì)；B.發(fā)酵罐；C.取樣口；D.溫度計(jì)；E.導(dǎo)氣管；F.氣體取樣口；G.集氣瓶；H.大口瓶Note：A.thermometer；B.fermentor；C.sampling port；D.thermometer；E.trachea；F.gas sampling；G.collector；H.large bottle圖1 厭氧發(fā)酵系統(tǒng)反應(yīng)裝置Fig.1 Reaction device of anaerobic fermentation system

1.4固相萃取操作

1.4.1水樣預(yù)處理。先從下口瓶瓶口取出3～4 mL沼液，放入離心機(jī)中以9 000 r/min離心30 min，目的是分離雜質(zhì)。提取上層清液2 mL，加入緩沖液調(diào)整水樣pH至7～8，并加入2% NaCl，于水樣中加入2%～3%乙腈進(jìn)行SPE填料活化[8]。

表1 農(nóng)藥滴加量及對(duì)應(yīng)濃度

1.4.2SPE柱活化。常壓狀態(tài)下，先用5 mL蒸餾水洗滌SPE柱，再向柱中加入用5 mL丙酮，并保持溶液以1 mL/min的速度通過填料，即將抽干時(shí)再加入5 mL乙酸乙酯，仍保持1 mL/min的速度通過填料。在溶液抽干前加入少量蒸餾水保持填料濕潤(rùn)。

1.4.3樣本富集。加入蒸餾水后，在蒸餾水抽干之前加入處理好的上層清液，在小于20 Mpa的壓力下，控制流速為1 mL/min[9]，在填料接觸空氣之前加入5 mL蒸餾水洗滌SPE柱。

1.4.4樣本洗脫。在蒸餾水抽干前加入5 mL甲醇，使甲醇保持1 mL/min的速度通過填料，再加入5 mL丙酮，保持相同的速度，注意加入丙酮前避免填料接觸空氣。

1.5色譜條件載氣：高純氮?dú)?純度>99.999%)，柱流速：1 mL/min；進(jìn)樣口溫度：280 ℃；不分流進(jìn)樣，分流比為1∶40；載氣壓力為306.138 kPa。

柱溫程序：初始溫度50 ℃，保持1 min；以30 ℃/min升溫至130 ℃，保持2 min；以20 ℃ /min 升溫至180 ℃，保持1 min；以20 ℃/min 升溫至240 ℃，保持1 min；以3 ℃ /min升溫至280 ℃，保持1 min。

1.6氧化樂果標(biāo)準(zhǔn)濃度曲線繪制農(nóng)藥含量檢測(cè)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 13192—91《水質(zhì) 有機(jī)磷農(nóng)藥的測(cè)定 氣相色譜法》，采用外標(biāo)法定量[10]。首先將農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品配置成0.1、10、40、80、120、160 mg/L一系列濃度梯度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，隨后進(jìn)行色譜分析，記錄氧化樂果的保留時(shí)間，根據(jù)濃度和對(duì)應(yīng)的峰面積大小繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線[11]。在上述色譜條件下，用氣相色譜儀中檢測(cè)農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品，并以濃度為橫坐標(biāo)，峰面積為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)濃度曲線(圖2)?；貧w方程為y=25.214x+2 764.680，相關(guān)系數(shù)R2=0.992 27。

圖2 農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.2 Standard curve of pesticide

試驗(yàn)啟動(dòng)后，于每日18：00準(zhǔn)時(shí)測(cè)量收集到的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣，記錄甲烷和二氧化碳含量，每天收集并測(cè)量一次發(fā)酵沼液中農(nóng)藥濃度，并進(jìn)行記錄[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中氧化樂果濃度的變化整個(gè)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)總反應(yīng)時(shí)間為35 d，產(chǎn)氣周期結(jié)束時(shí)，滴加的氧化樂果也得到了有效降解。從圖3可以看出，氧化樂果的降解周期與滴加的濃度存在著明顯的關(guān)系，10 mg/L農(nóng)藥的降解只需4 d，隨著濃度的增加，降解所需的周期也增大為8、9、11、13、15、18、19、20、22 d。試驗(yàn)開始進(jìn)行前10 d，濃度低于20 mg/L的氧化樂果已經(jīng)被完全降解，試驗(yàn)開始20 d后，120 mg/L以下濃度的農(nóng)藥完全被降解。而當(dāng)濃度達(dá)到130 mg/L時(shí)，降解周期已經(jīng)明顯增大，尤其當(dāng)初始濃度為140 mg/L時(shí)，經(jīng)過35 d的產(chǎn)氣周期，仍有少量氧化樂果未被徹底降解。由此可知，綠化廢棄物厭氧發(fā)酵可以促進(jìn)氧化樂果的降解，降解所需的時(shí)間與農(nóng)藥的濃度呈正相關(guān)關(guān)系，濃度越大，周期越長(zhǎng)。在該試驗(yàn)的設(shè)計(jì)條件下，整個(gè)發(fā)酵體系可承受的負(fù)荷濃度為140 mg/L。

圖3 氧化樂果濃度隨時(shí)間的變化Fig.3 The change of Omethoate concentration with time

2.2日產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)氣量由圖4可知，在發(fā)酵初期，產(chǎn)氣量雖然高，但甲烷含量低，因此發(fā)酵初期甲烷累計(jì)產(chǎn)氣量不高，發(fā)酵進(jìn)入第5天之后，各濃度產(chǎn)生的氣體中甲烷含量逐漸升高，進(jìn)入終期之后，甲烷含量降低。從圖4可以看到濃度對(duì)于日產(chǎn)氣高峰的影響，濃度為0 mg/L時(shí)，發(fā)酵體系在第6天達(dá)到日產(chǎn)氣高峰，隨著濃度的不斷升高，產(chǎn)氣高峰不斷向后推移。60 mg/L以下濃度的厭氧發(fā)酵體系中，日產(chǎn)氣量和未滴加農(nóng)藥的體系相比差別不大，并且產(chǎn)氣高峰都集中在5～12 d，在該濃度梯度內(nèi)，氧化樂果對(duì)日產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣高峰并無太大影響，當(dāng)濃度達(dá)到80 mg/L時(shí)，最大日產(chǎn)氣量已降至0 mg/L的50%。80～120 mg/L時(shí)，氧化樂果已經(jīng)對(duì)產(chǎn)氣的高峰值產(chǎn)生了明顯影響，且將產(chǎn)氣高峰推到15 d之后。而當(dāng)濃度達(dá)到130～140 mg/L時(shí)，農(nóng)藥的存在已經(jīng)嚴(yán)重影響到整個(gè)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的正常反應(yīng)，日產(chǎn)氣峰值僅為20 mL，而達(dá)到產(chǎn)氣高峰的時(shí)間需要21 d，接近反應(yīng)周期的末期?？梢酝茢嘣斐蛇@種現(xiàn)象的原因可能是產(chǎn)甲烷菌對(duì)環(huán)境要求較高，而高濃度的氧化樂果會(huì)破壞產(chǎn)甲烷菌的生活環(huán)境，甚至?xí)⑺肋@些細(xì)菌，從而大大降低產(chǎn)氣性能。

圖4 氧化樂果濃度對(duì)日產(chǎn)氣高峰的影響Fig.4 The effect of Omethoate concentration on the peak of daily gas production

圖5反映了累計(jì)產(chǎn)氣量隨時(shí)間的變化情況，累計(jì)產(chǎn)氣量直接受到日產(chǎn)氣量的影響，可以看到累計(jì)產(chǎn)氣量斜率最大的地方，也就是累計(jì)產(chǎn)氣量增長(zhǎng)最快的地方，正好對(duì)應(yīng)圖4中日產(chǎn)氣量的高峰時(shí)段。從圖5可以看出，氧化樂果的存在在一定程度上抑制了正常的厭氧發(fā)酵。產(chǎn)氣總量大致分為3個(gè)區(qū)域，第1區(qū)域?yàn)? 600 mL，對(duì)應(yīng)為未滴加農(nóng)藥的發(fā)酵系統(tǒng)，第2個(gè)區(qū)域?yàn)? 000～1 300 mL，對(duì)應(yīng)的濃度為10～80 mg/L，第3個(gè)區(qū)域?yàn)?00～600 mL，對(duì)應(yīng)的濃度為90 mg/L，這表明高濃度的氧化樂果已經(jīng)嚴(yán)重抑制了發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)氣量。

圖5 氧化樂果濃度對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量隨時(shí)間變化的影響Fig.5 The effect of Omethoate concentration on the change of cumulative gas production

2.3甲烷含量和pH變化從圖6可以看出，在0～90 mg/L濃度范圍內(nèi)，甲烷含量并無特別大的差距，農(nóng)藥的存在并未對(duì)產(chǎn)氣產(chǎn)生特別大的影響。然而，當(dāng)農(nóng)藥的濃度達(dá)到120 mg/L時(shí)，甲烷含量大幅降低，僅為0 mg/L系統(tǒng)的50%，說明高濃度的氧化樂果會(huì)對(duì)厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)生的沼氣質(zhì)量造成持續(xù)性的影響。

圖6 氧化樂果濃度對(duì)甲烷含量變化的影響Fig.6 The effect of Omethoate concentration on the change of methane content

從圖7可以看出，滴加農(nóng)藥的量越多，發(fā)酵液的初始pH越低，所有發(fā)酵系統(tǒng)的初始pH均低于6.2，呈酸性，其原因是氧化樂果遇水呈酸性。隨著發(fā)酵的進(jìn)行，pH不斷上升，證明氧化樂果的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)在發(fā)酵的作用下發(fā)生了改變。氧化樂果的降解使得發(fā)酵體系的pH不斷恢復(fù)到6.5～7.3，此為產(chǎn)甲烷菌最適宜的生存環(huán)境。

圖7 氧化樂果濃度對(duì)pH變化的影響Fig.7 The effect of Omethoate concentration on the change of pH

3 結(jié)論與展望

(1)該試驗(yàn)探究了有機(jī)磷農(nóng)藥氧化樂果在綠化廢棄物厭氧發(fā)酵反應(yīng)體系中的降解情況，得到如下結(jié)論：①氧化樂果可在以城市綠化廢棄物為底物的厭氧發(fā)酵體系中得到有效降解，在該試驗(yàn)條件下，設(shè)置的所有濃度梯度的農(nóng)藥均被完全降解，在厭氧發(fā)酵周期的前5 d，農(nóng)藥的降解速率最快；②氧化樂果的存在對(duì)日產(chǎn)氣量峰值和總產(chǎn)氣量均有抑制作用，產(chǎn)氣高峰的出現(xiàn)也會(huì)延遲；農(nóng)藥濃度低于80 mg/L時(shí)，影響并不明顯，濃度達(dá)到90 mg/L時(shí)，產(chǎn)氣量會(huì)受到嚴(yán)重影響；③氧化樂果濃度在10～100 mg/L時(shí)，甲烷含量相比于無農(nóng)藥的發(fā)酵系統(tǒng)差別不大，但在高濃度(>100 mg/L)條件下，產(chǎn)氣質(zhì)量明顯受到影響；④氧化樂果溶液會(huì)使發(fā)酵液呈酸性，

不利于產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)，但隨著發(fā)酵反應(yīng)的不斷進(jìn)行，氧化樂果被降解，pH穩(wěn)步升高，最終會(huì)穩(wěn)定在利于細(xì)菌生長(zhǎng)的pH范圍內(nèi)。

(2)該研究結(jié)果表明，利用城市綠化廢棄物厭氧發(fā)酵降解農(nóng)藥的方法是可行的，該方法不僅可以處理廢物，生產(chǎn)沼氣，還可以促進(jìn)農(nóng)藥的降解。因此，可以在以厭氧消化為主要工藝的沼氣工程設(shè)置試點(diǎn)，進(jìn)一步研究農(nóng)藥降解的最大負(fù)荷，觀察實(shí)際效果，并推廣該方法。

[1] ALI G，NITIVATTANANON V，ABBAS S，et al.Green waste to biogas：Renewable energy possibilities for Thailand’s green markets[J].Renewable and sustainable energy reviews，2012，16(7)：5423-5429.

[2] 涂憶江.我國(guó)農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].農(nóng)藥科學(xué)與管理，2003，24(4)：14-16.

[3] 朱赫，紀(jì)明山.農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)技術(shù)的最新進(jìn)展[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2014，30(4)：242-250.

[4] 陳榮艷.新能源沼氣在農(nóng)村發(fā)展中的利用[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2013(9)：7.

[5] 成官文，朱宗強(qiáng)，胡樂寧，等.幾種常見農(nóng)業(yè)有機(jī)廢物產(chǎn)沼氣研究[C]//第十屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)論文集(二).北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)部，2008.

[6] 孫樹貴，任廣鑫，翟寧寧，等.中溫下3種落葉厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38(19)：10164-10166.

[7] 劉榮厚，郝元元，武麗娟.溫度條件對(duì)豬糞厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)氣特性的影響[J].可再生能源，2006(5)：32-35.

[8] 高玲，楊元，景露，等.水中13種有機(jī)磷農(nóng)藥的固相萃取-氣相色譜-質(zhì)譜測(cè)定法[J].環(huán)境與健康雜志，2009，26(8)：723-725.

[9] 劉豐茂，錢傳范，江樹人.水中12種農(nóng)藥的固相萃取及GC-MS測(cè)定方法研究[J].農(nóng)藥學(xué)學(xué)報(bào)，2000，2(2)：89-93.

[10] 鐘寧，曾清如，姜潔凌，等.有機(jī)磷農(nóng)藥的降解及其研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代農(nóng)藥，2005，4(6)：1-6.

[11] 陳少華，羅建軍，林慶勝，等.農(nóng)藥殘留降解方法研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37(1)：343-345.

[12]吉喜燕.有機(jī)磷農(nóng)藥在厭氧消化系統(tǒng)中的降解研究[D].昆明：云南師范大學(xué)，2016.