臭氧氧化后可提高含林可霉素廢水的可生化性

 

        中國是世界上抗生素生產(chǎn)大國，是青霉素、四環(huán)素和林可霉素等發(fā)酵類抗生素的主要生產(chǎn)基地。在抗生素發(fā)酵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢母液通常含有高濃度抗生素，目前這些廢母液主要是經(jīng)生活污水稀釋后，采用活性污泥法等常規(guī)生物工藝進(jìn)行處理。抗生素作為一種抑菌或殺菌物質(zhì)，可影響污水生物處理系統(tǒng)的功能，并可能導(dǎo)致耐藥菌及耐藥基因的產(chǎn)生和排放。為了有效處理上述含抗生素廢水，需要在生物處理之前去除廢母液中抗生素殘留效價(jià)。強(qiáng)化水解技術(shù)已經(jīng)被證明具有削減鏈霉素、螺旋霉素和土霉素等抗生素效價(jià)的有效性。前期研究已表明林可霉素結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，難以通過溫度或 pH調(diào)節(jié)加速其水解過程，強(qiáng)化水解技術(shù)無法經(jīng)濟(jì)、有效地應(yīng)用于其實(shí)際生產(chǎn)廢水的處理。為了保障林可霉素發(fā)酵廢水的安全、高效處理，須開發(fā)相應(yīng)有效的預(yù)處理技術(shù)。

 

        大量研究表明，臭氧對(duì)水體中的硝基苯、酚類、氯化苯、多環(huán)芳香烴等有很好的去除效果，并且已成功應(yīng)用于印染和石化等工業(yè)廢水的處理。LIU等考察了臭氧預(yù)處理土霉素實(shí)際廢水的效果，發(fā)現(xiàn)土霉素廢母液抗生素降解 50% 時(shí)消耗的臭氧量為 0.63 mg·mg−1土霉素，處理后污水不再誘導(dǎo)后續(xù)生物處理單元耐藥性發(fā)展。上述研究表明，臭氧氧化可以作為一種制藥廢水的預(yù)處理技術(shù)，然而，目前有關(guān)臭氧氧化處理林可霉素發(fā)酵廢水的研究較少。

 

        本研究以林可霉素發(fā)酵廢水的高效預(yù)處理為目標(biāo)，利用配水實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了臭氧氧化削減林可霉素效價(jià)的有效性，考察了共存基質(zhì)和反應(yīng) pH對(duì)林可霉素去除的影響，將臭氧預(yù)處理與厭氧生物處理技術(shù)耦合，處理實(shí)際林可霉素發(fā)酵廢水，討論了臭氧預(yù)處理對(duì)廢水生化處理的促進(jìn)效果，以期為林可霉素廢水的處理提供參考。

 

實(shí)驗(yàn)方法

        實(shí)驗(yàn)裝置見圖 1。臭氧由臭氧發(fā)生器產(chǎn)生，臭氧氧化實(shí)驗(yàn)在一個(gè)直徑 40 mm、高度為 600 mm、容量為700 mL的玻璃柱內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)時(shí)將 100 mg·L−1的 500 mL抗生素溶液一次性轉(zhuǎn)入反應(yīng)器中，臭氧是由玻璃柱底部的砂板進(jìn)入反應(yīng)體系，所有實(shí)驗(yàn)在恒溫 (25 ℃)條件下進(jìn)行。臭氧的濃度由臭氧監(jiān)測(cè)器 (Hare EG-600，Ebara Jitsugyo，日本)進(jìn)行監(jiān)控，并用碘量法對(duì)臭氧濃度進(jìn)行校 正，反應(yīng)后的殘余臭氧由 5% 的 KI溶液吸收。臭氧濃度穩(wěn)定后開始計(jì)時(shí)，在不同反應(yīng)時(shí)間從取樣口取4 mL樣品進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試。

臭氧氧化反應(yīng)裝置示意圖
 

 

測(cè)試及計(jì)算方法

        林可霉素濃度測(cè)定采用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法 (UPLC-MS/MS)方法，色譜柱為 ACQUITY UPLC BEH Shield RP18(1.7 μm × 2.1 mm × 100 mm，沃特世，美國)；柱溫為35 ℃；流速為0.3 mL·min−1；進(jìn)樣量 5 μL；流動(dòng)相 A為乙腈，流動(dòng)相 B為 0.1% 甲酸水。梯度洗脫程序參考文獻(xiàn)中的方法[20]。電離方式為電噴霧電離 (ESI，正離子模式)，掃描方式為多反應(yīng)監(jiān)測(cè) (MRM)，毛細(xì)管電壓為 1.0 kV，離子源溫度為 150 ℃，脫溶劑溫度為 500 ℃，碰撞氣流量為 50 L·h−1，脫溶劑氣流量為 600 L·h−1。林可霉素母離子的m/z為406.9，子離子的m/z為125.9(定量離子)和359(定性離子)，錐孔電壓為30 V，碰撞電壓為25 V和22 V。

 

        抗生素效價(jià)是指某一物質(zhì)或水樣產(chǎn)生抑菌效果的功效單位。本實(shí)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室前期建立的方法[21]測(cè)定水樣的抗境生素效價(jià)，步驟如下：采用金黃色葡萄球菌 (Staphylococcus aureus)作為標(biāo)準(zhǔn)菌株，分別采用廢水中相應(yīng)的抗生素和參照標(biāo)準(zhǔn)抗生素作標(biāo)準(zhǔn)曲線，測(cè)得相應(yīng)的抗生素效價(jià)當(dāng)量。 1 mL的抗生素標(biāo)準(zhǔn)溶液或者待測(cè)樣品與 9 mL菌液混合，分別為標(biāo)準(zhǔn)曲線組和待測(cè)樣品組，同時(shí)設(shè)置了 1 mL磷酸鹽緩沖液 (PBS)和 9 mL菌液混合作為陽性對(duì)照，1 mL PBS和 9 mL不加菌液的抗生素Ⅲ號(hào)培養(yǎng)基混合作為空白對(duì)照。在 WBS-100微生物濁度法測(cè)定儀中 37 ℃條件下培養(yǎng) 4 h，間歇振蕩，從 45 min后每 10 min測(cè)定 580 nm下的光密度，光密度強(qiáng)弱反映細(xì)菌的生長情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，得到 20組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性相關(guān)系數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)性高的一組數(shù)據(jù)，并根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算樣品的效價(jià)當(dāng)量。所有樣品的效價(jià)測(cè)定均為3個(gè)平行，計(jì)算平均值。

 

厭氧可生化性評(píng)價(jià)方法

 

厭氧可生化性實(shí)驗(yàn)在 Bioprocess Control(瑞典)的甲烷自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng) (AMPTS-Ⅱ)中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)所用厭氧污泥取自北京市高碑店城市污水處理廠剩余污泥處理單元的中溫厭氧消化池。實(shí)驗(yàn)在一個(gè) 500 mL的樣品瓶中進(jìn)行，每個(gè)樣品瓶盛入 200 mL消化污泥 (VSS=2 000 mg·L−1)，分別加入 200 mL空白 (不加抗生素的溶液)、未處理過的林可霉素廢水 (林可霉素濃度為 1 000 mg·L−1)、臭氧處理后的林可霉素廢水(林可霉素濃度為4 mg·L−1)，其中對(duì)照組中的化學(xué)需氧量(COD)與實(shí)際廢水的COD (7 800 mg·L−1)相同，由醋酸鈉溶液配制，所有實(shí)驗(yàn)組均設(shè)置 2個(gè)平行。實(shí)驗(yàn)前溶液初始 pH用鹽酸和氫氧化鈉溶液調(diào)至7.00±0.05，氮吹3 min，將處理好的樣品瓶置于恒溫((35 ± 1) ℃)水浴鍋中。

 

結(jié)論

1) 臭氧氧化可有效降解林可霉素，降解過程符合一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)。

2) pH 升高可促進(jìn)林可霉素的臭氧氧化，但同時(shí)加快了臭氧的消耗，故綜合考慮，建議在中性條件下處理林可霉素廢水。

3) 廢水中 COD 可延緩林可霉素的降解，每增加 COD 100 mg·L−1，單位抗生素實(shí)現(xiàn) 50%的削減需要增加的臭氧量約為 1.64 mg，此外，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)環(huán)境向酸性發(fā)展會(huì)降低反應(yīng)速率。

4) 臭氧預(yù)處理和厭氧生物處理的耦合工藝可以在有效降解林可霉素的同時(shí)，提高甲烷產(chǎn)率，具有實(shí)際應(yīng)用潛力。