遲 翔，周文兵*，武 林，吳 飛，肖乃東，朱端衛(wèi)

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院生態(tài)與環(huán)境工程研究室，武漢430070；2.生豬健康養(yǎng)殖（湖北?。﹨f(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430070）

近年來，我國(guó)年產(chǎn)各類抗生素21萬t，居世界首位，其中46.1%用于畜禽養(yǎng)殖。進(jìn)入畜禽體內(nèi)的抗生素約有60%～90%以母體和代謝物的形式排出體外，且部分代謝物在環(huán)境中又可轉(zhuǎn)化為活性母體，被認(rèn)為是生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)極高的新型污染物，成為近年來公眾關(guān)注的焦點(diǎn)和國(guó)內(nèi)外科學(xué)研究的熱點(diǎn)[1]。同時(shí)，畜禽排出的代謝物應(yīng)用于沼氣工程的厭氧發(fā)酵中，沼渣沼液作為“優(yōu)質(zhì)高效的無公害有機(jī)肥料”也已應(yīng)用于多種作物的生產(chǎn)中，但沼渣沼液的處理還存在著許多問題，如沼液被直接灌溉，其中的抗生素可在植物體內(nèi)富集，同時(shí)由于食物鏈傳遞，也會(huì)對(duì)生物及人體產(chǎn)生危害。抗生素對(duì)人體的傷害表現(xiàn)為毒性損傷、過敏反應(yīng)以及“三致”作用等[2-4]。據(jù)報(bào)道，沼液中抗生素含量較高的有四環(huán)素類和磺胺類抗生素，其含量可達(dá)幾十到幾百微克每升[5-7]。目前，處理工業(yè)廢水中抗生素的主要方法有：生物法、膜分離法、吸附法。其中生物法很難有效地去除微量物質(zhì)，膜分離法在沼液這類有較大雜質(zhì)的非均相體系中應(yīng)用時(shí)極易被堵塞，吸附法又很難找到較為廉價(jià)且對(duì)水質(zhì)選擇性小的吸附劑[8-9]。為了滿足工藝上的切實(shí)要求，尋找能快速、高效地去除沼液中抗生素，同時(shí)又保證沼液中的養(yǎng)分（TN、TP、TK）能夠基本保留的方法已迫在眉睫。

Fenton法作為高級(jí)氧化技術(shù)的代表，有著較強(qiáng)的氧化能力。近年來，因其對(duì)水質(zhì)的選擇性小，且反應(yīng)速率高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水中苯酚、硝基酚等有機(jī)物的去除[10-11]，但用其直接處理沼液中的抗生素還鮮有報(bào)道[12]。本文將通過Fenton去除沼液中三種四環(huán)素類和三種磺胺類抗生素的單因素實(shí)驗(yàn)，確定最優(yōu)的去除條件，并通過最優(yōu)Fenton作用條件下各抗生素的去除率和主要養(yǎng)分氮、磷、鉀的保留率來評(píng)判Fen?ton法去除沼液中抗生素的可行性。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

裝置包括SC-3610低速離心機(jī)（安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司）、SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵（武漢亨泰達(dá)儀器設(shè)備有限公司）、FE28 pH計(jì)（梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司）、Cleanert PEP-2固相萃取柱（Bonna-Agela Technologies）、HX-NC12金屬浴氮吹儀（武漢恒信世紀(jì)科技有限公司）、Agilent1260高效液相色譜儀（美國(guó)，安捷倫公司）、高效液相色譜柱Shim-Pack，VP-ODS（250 mm×4.6 mm，5 μm，日本，島津公司）。

試劑包括：甲醇、乙腈、甲酸均為色譜純；30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）H2O2、H2SO4、HCl、NaOH均為分析純；四環(huán)素（TC）純度≥95%、土霉素（OTC）純度≥98%、金霉素（CTC）純度≥90%、磺胺甲惡唑（SMZ）純度≥98%、磺胺甲基嘧啶（SMR）純度≥98%、磺胺嘧啶（SDZ）純度≥98%的標(biāo)準(zhǔn)樣品（均購(gòu)于上海源葉生物科技有限公司）。沼液采自湖北金林原種畜牧有限公司，帶回實(shí)驗(yàn)室后避光保存其理化性質(zhì)見表1。為突出實(shí)驗(yàn)效果，向沼液中添加了一定含量的抗生素作為實(shí)驗(yàn)樣品。

表1 沼液主要理化性質(zhì)Table1 The main physicochemical properties of biogas slurry

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 沼液前處理方法

取40 mL沼液于錐形瓶中，向其中添加一定含量的抗生素，用稀H2SO4、NaOH溶液調(diào)節(jié)pH后，加入FeSO4溶液5 mL和30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）H2O2溶液5 mL，2 h后取出5 mL用來檢測(cè)TN、TP、TK。再對(duì)樣品進(jìn)行5000 r·min-1離心，然后通過0.45 μm的水系濾膜，加入0.2 g乙二胺四乙酸二鈉以抑制重金屬的螯合，用H2SO4調(diào)節(jié)樣品pH在4左右，濾液以1 mL·min-1的速率通過Cleanert PEP固相萃取柱進(jìn)行富集，固相萃取柱使用前依次用3×2 mL甲醇、3×2 mL超純水、3×2 mL HCl（pH=4）進(jìn)行預(yù)處理，萃取富集后，用6 mL超純水清洗固相萃取柱，并真空干燥30 min，最后用3×2 mL甲醇緩慢洗脫到10 mL離心管中，將收集的洗脫液用氮?dú)獯蹈?，再? mL甲醇復(fù)溶。以上溶液均過0.22 μm水系濾膜后放入2 mL的棕色玻璃瓶待測(cè)。

1.2.2 各因素對(duì)抗生素去除特性影響實(shí)驗(yàn)

基準(zhǔn)條件：pH為4.0、H2O2濃度為0.4 mol·L-1、摩爾比 n（H2O2）/n（Fe2+）=5∶1。

在探究pH最優(yōu)條件時(shí)，保證H2O2濃度和n（H2O2）/n（Fe2+）為基準(zhǔn)條件，pH分別設(shè)置為2、3、4、5、6，從而確定最優(yōu)pH值；在探究H2O2濃度最優(yōu)條件時(shí)，保證pH和n（H2O2）/n（Fe2+）為基準(zhǔn)條件，H2O2濃度分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mol·L-1，從而確定最優(yōu) H2O2濃度；在探究 n（H2O2）/n（Fe2+）最優(yōu)條件時(shí)，保證pH和H2O2為基準(zhǔn)條件，設(shè)置 n（H2O2）/n（Fe2+）分別為 3∶1、5∶1、10∶1、15∶1、20∶1，從而確定最優(yōu)n（H2O2）/n（Fe2+）。

1.3 測(cè)試分析方法

抗生素采用高效液相色譜-紫外檢測(cè)器檢測(cè)，測(cè)定條件：色譜柱柱溫25℃，流動(dòng)相為0.1%甲酸-乙腈（81∶19，V/V）等度洗脫，流速1.0 mL·min-1；進(jìn)樣量20 μL；紫外檢測(cè)器檢測(cè)波長(zhǎng)270 nm[5]。TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB/T 1894—1989），TP采用鉬酸銨分光光度法（GB/T 11893—1989），TK采用H2O2-HNO3消解火焰分光光度法。

表2 六種目標(biāo)物質(zhì)對(duì)應(yīng)線性方程及出峰時(shí)間Table2 The linear equations and peak time of the six target substances

2 結(jié)果與討論

2.1 抗生素標(biāo)準(zhǔn)溶液的測(cè)定

配制六種抗生素的混標(biāo)溶液，根據(jù)抗生素的測(cè)定方法，對(duì)六種抗生素進(jìn)行了檢測(cè)。由表2可知，六種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)相關(guān)系數(shù)良好。由圖1可知，六種物質(zhì)色譜峰完全分離。

圖1 三種四環(huán)素和三種磺胺類抗生素的5 mg·L-1標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)色譜圖Figure1 Standard substance chromatogram of three kinds of tetracycline and three kinds of sulfa antibiotics with concentration of 5 mg·L-1

圖2 不同pH下沼液經(jīng)Fenton氧化后磺胺類抗生素濃度及去除率Figure2 The concentration and removal rates of sulfa antibiotics in biogas slurry after Fenton oxidation with different pH

圖3 不同pH下沼液經(jīng)Fenton氧化后四環(huán)素類抗生素濃度及去除率Figure3 The concentration and removal rates of tetracycline antibiotics in biogas slurry after Fenton oxidation with different pH

2.2 抗生素去除條件篩選

2.2.1 初始pH對(duì)去除效果的影響

圖2和圖3分別為在H2O2濃度為0.4 mol·L-1，n（H2O2）/n（Fe2+）=5∶1，pH為2、3、4、5、6條件下沼液水樣中磺胺類抗生素和四環(huán)素類抗生素去除前后的濃度及去除率。由圖可知，沼液樣品中初始pH對(duì)抗生素去除率影響較大，pH為4時(shí)，抗生素去除率最大。pH降低過程中，目標(biāo)物質(zhì)的去除率呈先上升后下降的趨勢(shì)。因?yàn)殍F鹽在弱酸性條件下最大限度水解，最有利于催化羥基自由基的產(chǎn)生，方程式為：

弱酸環(huán)境可以促進(jìn)反應(yīng)向右進(jìn)行，增加羥基自由基的產(chǎn)量。過低的pH值環(huán)境會(huì)抑制羥基自由基的產(chǎn)生，過高的pH值也會(huì)抑制羥基自由基的產(chǎn)生，并且使三價(jià)鐵離子沉淀，而失去催化氧化能力，如下式：

2.2.2 H2O2投加量對(duì)抗生素去除率的影響

圖4和圖5分別為在pH為4.0，n（H2O2）/n（Fe2+）=5∶1，H2O2投加量分別為 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mol·L-1條件下沼液水樣中磺胺類抗生素和四環(huán)素類抗生素去除前后的濃度及去除率。從圖中可以看出，H2O2濃度為0.4 mol·L-1時(shí)，抗生素去除率最大。

由圖4和圖5可知，隨著H2O2濃度不斷升高，各類抗生素去除率均呈現(xiàn)先升高后平緩的趨勢(shì)，并在0.5 mol·L-1時(shí)出現(xiàn)了下降，這是因?yàn)?Fe2+催化 H2O2產(chǎn)生·OH，隨著H2O2濃度的增加，·OH也增加，即：

而當(dāng)H2O2過量時(shí)，H2O2會(huì)在反應(yīng)初期與·OH反應(yīng)生成氧化能力較弱的·HO2，·HO2進(jìn)一步與·OH反應(yīng)釋放氧氣，即：

這一過程不利于反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，從而降低了對(duì)抗生素的去除。

2.2.3 n（H2O2）/n（Fe2+）對(duì)抗生素去除率的影響

圖4 不同H2O2投加量下沼液經(jīng)Fenton氧化后磺胺類抗生素濃度及去除率Figure4 The concentration and removal rates of sulfa antibiotics in biogas slurry after Fenton oxidation with different H2O2input

圖5 不同H2O2投加量下沼液經(jīng)Fenton氧化后四環(huán)素類抗生素濃度及去除率Figure5 The concentration and removal rates of tetracycline antibiotics in biogas slurry after Fenton oxidation with different H2O2input

圖6 不同n（H2O2）/n（Fe2+）下沼液經(jīng)Fenton氧化后磺胺類抗生素濃度及去除率Figure6 The concentration and removal of sulfa antibiotics in biogas slurry after Fenton oxidation with different n（H2O2）/n（Fe2+）

圖7 不同n（H2O2）/n（Fe2+）下沼液經(jīng)Fenton氧化后四環(huán)素類抗生素的濃度及去除率Figure7 The concentration and removal of tetracycline antibiotics in biogas slurry after Fenton oxidation with different n（H2O2）/n（Fe2+）

圖6 和圖7分別為在pH為4.0，H2O2濃度為0.4 mol·L-1，n（H2O2）/n（Fe2+）為 3∶1、5∶1、10∶1、15∶1、20∶1的條件下實(shí)驗(yàn)樣品中磺胺類抗生素和四環(huán)素類抗生素去除前后的濃度及去除率。從圖中可以看出，n（H2O2）/n（Fe2+）為10∶1時(shí)，抗生素去除率最大。

由圖6和圖 7可知，當(dāng) n（H2O2）/n（Fe2+）過小時(shí)，F(xiàn)e2+剩余過多，缺少反應(yīng)所需的H2O2。多余的Fe2+會(huì)與H2O2或·OH發(fā)生氧化還原反應(yīng)，消耗體系內(nèi)產(chǎn)生的·OH，同時(shí)，因大量Fe2+的催化，生成的·OH還未氧化抗生素就先自身發(fā)生了反應(yīng)：

而當(dāng) n（H2O2）/n（Fe2+）過大時(shí)，F(xiàn)e2+過少，抑制了H2O2生成·OH的速率，使得氧化能力變?nèi)?，?dǎo)致抗生素去除率降低。

2.3 TN、TP、TK保留率

在探究養(yǎng)分保留率時(shí)通常TP、TK原則上不會(huì)流失，而TN可能會(huì)以氮?dú)獾男问搅魇?。本研究在pH為4.0，H2O2濃度為 0.4 mol·L-1，n（H2O2）/n（Fe2+）=10∶1最優(yōu)條件下，對(duì)沼液中抗生素去除前后沼液中TN、TP、TK進(jìn)行測(cè)定。由圖8可知，TN、TP、TK的保留率分別為96.0%、97.7%、97.2%，說明Fenton在氧化沼液抗生素前后，養(yǎng)分基本沒有流失。

圖8 Fenton氧化沼液中抗生素后TN、TP、TK保留率Figure8 The retention rate of TN，TP and TK in biogas slurry after antibiotics oxidation by Fenton

3 結(jié)論

（1）Fenton氧化沼液中三種四環(huán)素類和三種磺胺類抗生素的最佳反應(yīng)條件：pH為4.0、H2O2投加量為0.4 mol·L-1、n（H2O2）/n（Fe2+）=10∶1，此條件下四環(huán)素、土霉素、金霉素、磺胺甲惡唑、磺胺甲基嘧啶、磺胺嘧啶的去除率分別為91.83%、92.38%、80.52%、93.60%、91.97%、91.60%。

（2）Fenton試劑的添加基本不會(huì)影響沼液中養(yǎng)分的含量，沼液中的養(yǎng)分TN、TP、TK保留率分別為96.0%、97.7%、97.2%。

（3）Fenton氧化技術(shù)去除沼液中的抗生素是一種行之有效的方法，這為農(nóng)業(yè)上沼液中抗生素的處理提供了一條可能的途徑。