鐘為章,耿曉玲,李貴霞,高　湘,李再興,王勇軍,馬宏娟

(1.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊　050018；2. 河北省污染防治生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊　050018；3.華北制藥集團(tuán)有限責(zé)任公司環(huán)境保護(hù)研究所，河北石家莊　050015)

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微波-堿預(yù)處理對土霉素菌渣減量化效果研究

鐘為章1,2,耿曉玲1,2,李貴霞1,2,高湘1,2,李再興1,2,王勇軍3,馬宏娟1,2

(1.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊050018；2. 河北省污染防治生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊050018；3.華北制藥集團(tuán)有限責(zé)任公司環(huán)境保護(hù)研究所，河北石家莊050015)

為了對土霉素菌渣進(jìn)行減量化處理，采用微波-堿聯(lián)合作用的方法，通過正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)，考察了NaOH投加量、微波功率和含水率對懸浮固體(SS)去除率的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，最佳反應(yīng)條件為NaOH投加量0.09 g/g(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，微波功率700 W和含水率96%，這時(shí)SS去除率達(dá)56%以上。通過掃描電鏡對溶胞效果進(jìn)行分析可知，該研究的土霉素菌渣減量化效果較好，可為抗生素菌渣減量化提供技術(shù)參考。

固體污染防治工程；土霉素菌渣；微波-堿預(yù)處理；懸浮固體(SS)；菌渣形態(tài)

中國已經(jīng)成為世界上最大的抗生素原料藥生產(chǎn)與出口大國，產(chǎn)量位居世界第一[1]，每年產(chǎn)生的抗生素菌渣高達(dá)100萬t以上。農(nóng)業(yè)部于2002年將抗生素菌渣列入《禁止在飼料和動(dòng)物飲用水中使用的藥物品種目錄》，在2008年施行的《國家危險(xiǎn)廢物名錄》中，抗生素菌渣須按危險(xiǎn)廢物進(jìn)行處置。如何實(shí)現(xiàn)抗生素菌渣的減量化、無害化和資源化成為亟待解決的問題[2-4]。

抗生素菌渣的處理方法主要有微波輻射、堿處理、熱處理以及多種聯(lián)合預(yù)處理技術(shù)[5-7]。其中，微波輻射技術(shù)具有加熱均勻、升溫速度快、易于操縱、節(jié)能高效等優(yōu)點(diǎn)[8]，逐步受到重視并應(yīng)用于抗生素菌渣的預(yù)處理過程；堿預(yù)處理可加快菌渣胞外多聚物、細(xì)胞壁、細(xì)胞質(zhì)中的脂類等大分子物質(zhì)的水解[9]，其優(yōu)點(diǎn)為操作方便、高效率、低能耗。將這兩項(xiàng)技術(shù)聯(lián)合起來對抗生素菌渣進(jìn)行預(yù)處理，是近兩年筆者所做的一種嘗試，而這方面研究的報(bào)道尚未發(fā)現(xiàn)。

本試驗(yàn)以某企業(yè)土霉素菌渣為研究對象，采用微波-堿預(yù)處理方法對其進(jìn)行減量化處理試驗(yàn)研究，通過正交試驗(yàn)分析微波-堿預(yù)處理的主要影響因素[10]，并進(jìn)行單因素試驗(yàn)，確定微波-堿聯(lián)合預(yù)處理的最佳反應(yīng)條件，最后通過掃描電鏡觀察預(yù)處理前后菌渣的形態(tài)變化，明確了微波-堿預(yù)處理對土霉素菌渣減量化的效果。

1　材料與方法

1.1菌渣來源

抗生素菌渣取自某土霉素生產(chǎn)企業(yè)，其形態(tài)呈土黃色黏土狀，菌渣理化性質(zhì)見表1。將菌渣調(diào)節(jié)至96%的含水率后，其pH值為2.12，懸浮固體(SS)質(zhì)量濃度為36.56 g/L，揮發(fā)性懸浮固體(VSS)質(zhì)量濃度為30.34 g/L，溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)質(zhì)量濃度為2 243.20 mg/L，氨氮質(zhì)量濃度為24.60 mg/L。

表1　土霉素菌渣理化性質(zhì)

注：表中TS表示總固體；VS表示揮發(fā)性固體；TCOD表示總化學(xué)需氧量。

1.2試驗(yàn)材料

濃硫酸(98%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))、重鉻酸鉀、硫酸亞鐵銨、氫氧化鈉、納什試劑、酒石酸鉀納、硼酸、過氧化氫(30%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))等，均為分析純試劑，試驗(yàn)用水均為RO反滲透水。

DHG-9070型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥器，上海一恒科學(xué)儀器有限公司提供；SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長城科工貿(mào)有限公司提供；格蘭仕WMX微波密封消解COD速測儀，汕頭市環(huán)海工程總公司提供；格蘭仕WP750型微波爐，順德市格蘭仕電器實(shí)業(yè)有限公司提供；722E型可見分光光度計(jì)，上海光譜儀器有限公司提供；SXL-1208型程控箱式電爐，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司和太倉精宏儀器設(shè)備有限公司提供；FE20型pH計(jì)，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司提供。

1.3試驗(yàn)方法

分別取不同含水率的土霉素菌渣50 mL，加入NaOH溶液調(diào)節(jié)至NaOH/TS預(yù)定值，微波輻射30 s，再將其置于35 ℃下水浴加熱2 h，取出后分別測定pH值和SS。

1.4分析方法

COD測定采用重鉻酸鉀法；pH值測定采用玻璃電極法；TS，SS，VS和VSS測定均采用重量法；氨氮測定采用納氏試劑光度法；凱氏氮測定采用蒸餾-滴定法；

采用美國FEI Quanta200型掃描電鏡觀察微波-堿預(yù)處理前后的菌渣形態(tài)。

2　結(jié)果與討論

試驗(yàn)通過探討NaOH投加量、微波功率和含水率對土霉素菌渣的SS去除率的影響，分析反應(yīng)體系中各因子對體系的影響大小并確定達(dá)到最大減量化的最佳反應(yīng)條件。

2.1正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了初步確定最佳反應(yīng)條件，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了以微波功率(A)、NaOH投加量(B)、含水率(C)為變量的3因素3水平正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)因素水平表如表2所示，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2　正交試驗(yàn)因素水平表

由表3正交試驗(yàn)的極差大小可知，3個(gè)因素對試驗(yàn)結(jié)果影響程度大小的順序是：NaOH投加量>微波功率>含水率；由3組均值k1，k2，k3初步確定最佳反應(yīng)條件為A3B3C2，即NaOH投加量為0.08 g/g(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，微波功率為600 W，含水率為95%。

2.2單因素試驗(yàn)

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合影響試驗(yàn)的主要因素和初步確定的最佳反應(yīng)條件，進(jìn)一步開展單因素試驗(yàn)，確定土霉素菌渣減量化的最佳反應(yīng)條件。

表3　正交試驗(yàn)結(jié)果

圖1　NaOH投加量對SS去除率和pH值的影響Fig.1　Effect of the dosage of NaOH to SS removal rate and pH value

2.2.1最佳NaOH投加量的確定

為考察NaOH投加量對SS去除率的影響，結(jié)合正交試驗(yàn)確定的最佳反應(yīng)條件，控制微波功率為600W、含水率為95%，NaOH投加量分別為0.05，0.06，0.07，0.08，0.09，0.10，0.11g/g時(shí)，考察不同NaOH投加量對土霉素菌渣SS去除率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

由圖1可知，隨著NaOH投加量的增加，SS去除率急劇上升，在0.09～0.10g/g之間達(dá)到較大，分別為54.13%和54.24%，此時(shí)反應(yīng)后pH值分別為8.80和9.96；但NaOH投加量增加到0.11g/g，反應(yīng)后pH值達(dá)到11.1時(shí)，SS去除率開始有所降低。

分析原因可能是微波產(chǎn)生的高溫和高pH值會(huì)促進(jìn)美拉德反應(yīng)的發(fā)生[11]，經(jīng)過微波和堿處理過的菌渣的溶解性有機(jī)物增加，促進(jìn)羰基化合物(還原糖類)和氨基化合物(氨基酸和蛋白質(zhì))間的反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)生褐變現(xiàn)象，其產(chǎn)物一部分是難降解的，甚至一部分是難溶解的[12-13]。因此，最終確定最佳NaOH投加量為0.09g/g。

2.2.2最佳微波功率的確定

結(jié)合正交試驗(yàn)初步確定的最佳反應(yīng)條件，控制NaOH投加量為0.09g/g，含水率為95%，分別考察微波功率為300，400，500，600，700，800，900W時(shí)對SS去除率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2　微波功率對SS去除率和pH值的影響Fig.2　Effect of the microwave power to SS removal rate and pH value

從圖2可以看出，隨著微波輻射功率的增加，SS去除率呈現(xiàn)逐步增加的趨勢，在微波功率為600W時(shí)SS去除率達(dá)到最高，最大值為54.13%，此時(shí)pH值為8.80，之后隨著微波功率的增加，SS去除率有所增加但變化緩慢，pH值變化也相對不大。

微波輻射是通過高頻電磁場的作用使菌渣及其中的水分子不斷加速運(yùn)動(dòng)、相互碰撞，促使菌渣結(jié)構(gòu)脫穩(wěn)、破壞菌渣絮體結(jié)構(gòu)，同時(shí)微生物細(xì)胞、胞外聚合物等大分子得到破碎，胞內(nèi)物質(zhì)溶出水解，從而達(dá)到了菌渣破解減量的目的[14-16]。大功率的微波輻射有利于土霉素菌渣的減量，但功率過大會(huì)造成細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)過度破壞，對減量效果沒有明顯改善而且造成能源浪費(fèi)[17]。綜合考慮成本因素，最終確定最佳微波輻射功率為600W。

2.2.3最佳含水率的確定

為考察含水率對SS去除率的影響，結(jié)合初步確定的最佳反應(yīng)條件，控制NaOH投加量為0.09g/g，微波功率為600W，考察含水率分別為93%，94%，95%，96%，97%，98%時(shí)對SS去除率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3　含水率對SS去除率和pH值的影響Fig.3　Effect of initial moisture to SS removal rate and pH value

從圖3可以看出，隨著含水率的增加，SS去除率不斷增加，當(dāng)含水率達(dá)到96%時(shí)，SS去除率為56.38%，達(dá)到最大值，此時(shí)pH值為8.66；但含水率增加到98%和99%時(shí)，SS去除率反而有所降低，pH值也上下波動(dòng)，呈不規(guī)律變化。

水是微波輻射和堿解良好的吸收介質(zhì)，適宜的含水率有利于微波的吸收和堿的反應(yīng)，更加有利于熱量的傳播和物質(zhì)的滲出，從而達(dá)到良好的減量化效果[18]。但是過高的含水率會(huì)影響樣品的升溫速度，對細(xì)胞的破壁和溶解產(chǎn)生阻礙作用。因此，該試驗(yàn)確定最佳含水率為96%。

2.3穩(wěn)定性試驗(yàn)

為考察微波-堿在最佳反應(yīng)條件下(即NaOH投加量為0.09g/g、微波功率為600W、含水率為96%)對土霉素菌渣的減量化效果和穩(wěn)定性，分別對3批土霉素菌渣樣品進(jìn)行平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4平行試驗(yàn)結(jié)果可知,采用微波-堿預(yù)處理對土霉素菌渣進(jìn)行減量化處理,并確定最佳處理?xiàng)l件,處理后SS去除率達(dá)到56%以上。

2.4掃描電子顯微鏡(SEM)分析

微波-堿預(yù)處理破壞土霉素菌渣內(nèi)的細(xì)胞結(jié)構(gòu),使胞內(nèi)物質(zhì)釋放,達(dá)到減量化的目的。為更好地研究微波-堿預(yù)處理對菌渣減量的影響,對預(yù)處理前后的菌渣進(jìn)行了掃描電子顯微鏡分析[19],觀察菌渣形態(tài)的變化，更好地了解菌渣減量的途徑及原因。

表4 穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果
Tab.4 Result of stability test 56.80

圖4　處理前后土霉素菌渣的SEM照片F(xiàn)ig.4　SEM photos of terramycin bacterial residue before and after reaction

從圖4可以看出，在菌渣電鏡照片放大35 000倍后，圖4a)中未處理的菌渣中桿狀菌較多，菌體較大，且菌體表面緊湊、光滑，細(xì)胞比較完整。圖4b)中，經(jīng)微波-堿預(yù)處理后的菌渣中桿狀菌分布稀少，且菌體長度減??；同時(shí)，菌體細(xì)胞變得不完整，菌體中間出現(xiàn)斷裂、細(xì)胞變癟。

由上述現(xiàn)象可以初步判定微波-堿預(yù)處理對菌渣的影響較大。造成以上現(xiàn)象的原因是：微波輻射的瞬時(shí)性和高效性會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞局部受熱，菌絲體細(xì)胞胞內(nèi)壓力驟增，細(xì)胞壁不能承受如此大的內(nèi)壓，從而出現(xiàn)缺口而破裂；堿處理中起主要作用的是·OH，·OH可以使細(xì)胞壁的膨脹壓失衡而破裂，還能對細(xì)胞壁和細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)和脂多糖進(jìn)行水解、皂化反應(yīng)，破壞菌絲體細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使胞內(nèi)物質(zhì)釋放[20-22]。微波和堿的協(xié)同作用有效地提高了土霉素菌渣的減量化效果。

3　結(jié)　論

采用微波-堿預(yù)處理土霉素菌渣，可取得較好的減量化效果：

1)通過正交試驗(yàn)，確定了NaOH投加量、微波功率和含水率3個(gè)因素對SS去除率的影響程度，結(jié)果表明，NaOH投加量>微波功率>含水率；

2)通過單因素試驗(yàn)，確定最佳反應(yīng)條件為NaOH投加量0.09g/g、微波功率600W、含水率96%，處理后SS去除率達(dá)到56%以上；

3)通過掃描電鏡觀察土霉素菌絲體細(xì)胞的形態(tài)變化，直觀地分析了微波-堿預(yù)處理對土霉素菌渣的破壁效果，為抗生素菌渣減量化提供技術(shù)參考。

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Effect research of microwave-alkaline pretreatment on the minimization of the terramycin bacterial residue

ZHONG Weizhang1,2， GENG Xiaoling1,2， LI Guixia1,2， GAO Xiang1,2，LI Zaixing1,2，WANG Yongjun3，MA Hongjuan1,2

(1.School of Environmental Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China；2.Pollution Prevention Biotechnology Laboratory of Hebei Province， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 3.Envinmental Protection Institute， NCPC， Shijiazhuang， Hebei 050015， China)

For the minimization of terramycin bacterial residue, microwave-alkaline pretreatment is used. By measuring the changes of suspended solids and pH in the reaction system，the effect of different dosage of NaOH，microwave power and initial moisture on the minimization of the terramycin bacterial residue is investigated. Orthogonal experiment and single fact experiment are applied to determine the optimal reaction conditions. The results show that the best operating conditions are the dosage of NaOH is 0.09 g/g， microwave power is 700 W and the initial moisture is 96%. Under these conditions the removal rate of SS is more than 56%. In addition，the effect of the solution is analyzed by scanning electron microscopy. This study achieves ideal minimization results of terramycin residue，which provide technical reference for antibiotics residue minimization.

prevention and control project of solid pollution； terramycin bacterial residue； microwave-alkaline pretreatment； suspended solids(SS)； residue form

1008-1542(2016)04-0390-06

10.7535/hbkd.2016yx04012

2015-11-13；

2016-01-13；責(zé)任編輯：王海云

國家自然科學(xué)基金(51478160)

鐘為章(1983—)，男，湖南新邵人，講師，博士，主要從事污水處理和固體廢棄物處理處置方面的研究。

李再興教授。E-mail:li_zaixing@163.com

X705

A

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