超聲空化效應(yīng)降解抗生素廢水

史雅慧　張繼超　劉媛媛 / 山東協(xié)和學(xué)院建筑工程學(xué)院

超聲空化效應(yīng)降解抗生素廢水

史雅慧張繼超劉媛媛 / 山東協(xié)和學(xué)院建筑工程學(xué)院

綜述抗生素廢水的特點(diǎn)，分析超聲空化降解效應(yīng)的影響因素，介紹了超聲空化效應(yīng)對各種有機(jī)污染物的降解的研究現(xiàn)狀，并對目前超聲空化效應(yīng)對于抗生素廢水的降解研究存在的問題進(jìn)行探討。

超聲空化效應(yīng)；抗生素廢水；廢水處理

1.引言

抗生素是用來治療人類和其他動物細(xì)菌感染的一類藥物,自1928年，弗萊明爵士發(fā)現(xiàn)了由青霉菌產(chǎn)生的青霉素以來，已有百余種抗生素被相繼被開發(fā)使用，有效地保障了地球上各種生物生命的健康。

然而有些醫(yī)藥行業(yè)的人員為牟取暴利、醫(yī)療技術(shù)缺乏、藥品管理監(jiān)管混亂等原因，抗生素用量過大，品種選用不合理，現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。目前，抗生素對人類和生態(tài)環(huán)境的負(fù)面作用也逐漸開始顯現(xiàn)，并且其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和復(fù)雜性以及生物毒性大的特點(diǎn)很難在環(huán)境中被微生物降解[1]。超聲空化效應(yīng)降解技術(shù)是一種清潔、無二次污染的技術(shù)，近20年來國內(nèi)外許多學(xué)者研究了超聲空化對農(nóng)藥、染料等有機(jī)廢水的研究，處理效果較好，但是對于抗生素廢水的降解研究報(bào)道還比較少。

2.影響超聲降解的主要因素

影響超聲空化效應(yīng)的因素很多，比如液體的溫度、pH值、超聲功率等都能影響超聲空化效應(yīng)的反應(yīng)過程[2]，這些因素對于超聲過程中的成核、空化泡震動、生長及崩潰都有明顯影響，進(jìn)而影響有機(jī)物的降解效果。

2.1 液體的溫度

溫度升高，會導(dǎo)致液體的飽和蒸汽壓升高，空化效應(yīng)減弱。盡管提高溫度有利于化學(xué)反應(yīng)速度加快，但是超聲降解是基于空化效應(yīng)產(chǎn)生的·OH等自由基和高溫?zé)峤獾葯C(jī)理[3]。多個實(shí)驗(yàn)研究表明，超聲空化在低溫下進(jìn)行的較好，并且在室溫下就非常好[4]。王宏青[5]在超聲降解甲胺磷時發(fā)現(xiàn)溫度控制在20～50℃之間對反應(yīng)速率影響不大。這是由于高溫下液體內(nèi)的反應(yīng)加速，但是超聲空化效應(yīng)減弱；而在低溫下反應(yīng)速度不如高溫時劇烈，但是空化效應(yīng)卻比高溫條件下要強(qiáng)。

2.2 液體的pH值

pH值可以改變物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)，影響溶液中有機(jī)物的存在狀態(tài)，一定程度上影響超聲波降解有機(jī)物的效率。邢鐵玲[6]等通過對甲基橙廢水的超聲降解說明了pH值對于降解效果的影響。利用超聲波對未進(jìn)行pH值（接近于中性）調(diào)節(jié)及用硫酸調(diào)節(jié)pH值為2.8的甲基橙溶液處理90分鐘后，發(fā)現(xiàn)酸性條件下的脫色率明顯高于中性條件下的脫色效率。這是由于甲基橙的分子結(jié)構(gòu)和顏色均隨pH的變化而發(fā)生變化，在酸性條件下甲基橙為醌式，以分子狀態(tài)存在；而在pH為6.5時甲基橙以偶氮式結(jié)構(gòu)，以離子態(tài)存在。

2.3 聲功率

有機(jī)物的降解速率一般是隨著聲功率強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大，能量輸入的增加能使產(chǎn)生的空化泡的數(shù)量增加，并且空化泡爆破的更加激烈，降解率因此得到提高。許文林等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在溫度為35℃時，初始濃度為0.1mol/L的KI水溶液中碘的生成速率與輸入功率之間呈線性增長的關(guān)系。不過功率過高反而會適得其反，這是由于空化泡的數(shù)量多到一定程度后，就會存在“過量”問題。過多的氣泡會在聲波的負(fù)相長的很大而造成“氣屏”效應(yīng)，并且氣泡之間容易合并形成較大的氣泡，潰陷的劇烈程度降低，影響降解效果。

3.超聲空化效應(yīng)對有機(jī)物的降解

3.1有機(jī)染料的降解

染料廢水排量大，色度高，COD大，BOD低，成分復(fù)雜，毒性高，屬于難降解的工業(yè)廢水。近20年來，國內(nèi)外的許多學(xué)者研究了超聲空化降解染料廢水的降解情況，取得了不錯的處理效果。李成[8]對三苯甲烷類染料羅丹明B進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，探討了超聲波功率、聲強(qiáng)、pH等的影響。在50kHz的頻率，低pH以及TiO2等光催化劑存在的條件下，2.5mg/L的羅丹明B溶液的降解率達(dá)到88.37％。在紫外光照射下，加入S2O82-可有效加速降解速率。

3.2農(nóng)藥的降解

農(nóng)藥廢水目前也是很難進(jìn)行傳統(tǒng)的生物處理的一種廢水，主要包括對3-氯苯胺、氯苯胺靈、對硫磷、甲胺磷等農(nóng)藥的降解。

王君等[9]采用高溫活化處理過的金紅石型TiO2為催化劑，研究了在超聲波輻射下各種因素對甲基對硫磷的超聲降解反應(yīng)的影響。結(jié)果表明：在金紅石型TiO2作為催化劑時，甲基對硫磷的超聲降解效果明顯優(yōu)于單純使用超聲波輻射降解。在超聲波頻率為40kHz，催化劑用量1000 mg/L，溫度為20℃，輸出功率50W，pH=5.00， 60 min超聲波輻射后，降解率可達(dá)到95％以上。

3.3 酚類的降解

含酚廢水是當(dāng)今世界上危害大、污染范圍廣的工業(yè)廢水之一。在許多工業(yè)領(lǐng)域諸如煤氣、焦化、煉油、冶金、機(jī)械制造、玻璃、油漆等工業(yè)排出的廢水中均含有酚類物質(zhì)。

Yoshio Nagata[10]在有空氣和氬氣的條件下對于2-、3-和4-氯酚進(jìn)行超聲空化降解。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在空氣速率4.5-6.6mMmin-1和氬氣的速率為6.0-7.2 mMmin-1時，100mM的氯酚在降解初期的降解速率符合一級反應(yīng)動力學(xué)。氯酚的超聲空化降解反應(yīng)能夠有效的被自由基捕獲劑t-BuOH阻止，但是反應(yīng)不能夠完全停止，這表明氯酚的超聲降解主要通過·OH自由基反應(yīng)，熱分解也能夠發(fā)生，但是對于降解反應(yīng)所起的作用比較小

4.超聲空化效應(yīng)對抗生素廢水的降解探討

抗生素的化學(xué)性質(zhì)一般比較穩(wěn)定，并且對常見的微生物具有抑制作用，利用傳統(tǒng)的生物法對抗生素廢水的降解效果不理想。通過以上的綜述，可以得出，超聲波對于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對微生物具有抑制性的物質(zhì)的降解效果占據(jù)明顯優(yōu)勢。對于超聲波對抗生素廢水的降解提出以下觀點(diǎn)以下觀點(diǎn)以供嘗試：

將超聲空化效應(yīng)與其他技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合，比如TiO2、O3、零價鐵等以加強(qiáng)抗生素廢水的COD去處效率，提高處理效果。

[1] HartmannA , Alder A C , Koller T , et al . Identification of fluoroquinolone antibiotics as the main source of human genotoxicity in native hospital wastewater. Environmental Toxicology and Chemistry,1998,17:377～382.

[2] 李爭彩，林書玉．超聲空化影響因素的數(shù)值模擬研究[J]．陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，36(1)：38-42．

[3] 馬軍，趙雷．超聲波降解水中有機(jī)物的影響因素[J].黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，22(2)：141-149．

[4] 尚巖，尚琳，彭亞男，等．超聲降解有機(jī)廢水影響因素的探討[J]．哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，19(3)：277-281．

[5] 王宏青，鐘愛國，李珊，等．超聲波誘導(dǎo)降解甲胺磷的研究[J]．環(huán)境化學(xué)，2000，19(1)：84-86．

[6] 邢鐵玲，K. H. Chu，陳國強(qiáng)．超聲降解甲基橙的研究[J]．中國給水排水，2006，22(13)：102-104．

[7] 許文林，何玉芳，王雅瓊．超聲作用下碘化鉀溶液生成碘速率的影響因素研究[J]．高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2006，20(3)：472-475．

[8] 李成．超聲波降解羅丹明B的研究[J]．遼寧化工，2008，37(7)：478-480．

[9] 王君，張立群，劉彬，等．金紅石型TiO2催化超聲降解甲基對硫磷農(nóng)藥的研究[J]．哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，41(3)：172-174．

[10] Yoshio Nagata, Michiyo Nakagawa, Hiroshi Okuno, et al. Sonochemical degradation of chlorophenols in water. Ultrasonics Sonoche mistry,2000,7(3):115-120.

山東協(xié)和學(xué)院校級科研項(xiàng)目（XHXY201531）。