劉一航，魏湛栩，尹立昊，常建娥

面向養(yǎng)殖廢物的抗生素處理裝置

劉一航，魏湛栩，尹立昊，常建娥

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，湖北 武漢 430070）

主要研究?jī)?nèi)容是設(shè)計(jì)一類新型的降解養(yǎng)殖廢物抗生素殘留的裝置，擬解決現(xiàn)有養(yǎng)殖廢物抗生素殘留高、缺乏有效的解決手段等問(wèn)題。提出的設(shè)計(jì)方案共由兩大部分組成，分別是材料化學(xué)光催化部分和裝置循環(huán)處理部分。對(duì)于材料化學(xué)光催化部分，設(shè)計(jì)了一種新型光催化材料，以有效降解抗生素殘留，并對(duì)其化學(xué)變化進(jìn)行分析。裝置循環(huán)處理部分解決了反應(yīng)環(huán)境和處理前后的物質(zhì)循環(huán)問(wèn)題。

抗生素殘留；循環(huán)處理；光催化；反應(yīng)效率

1 材料化學(xué)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與材料

本實(shí)驗(yàn)中采用的實(shí)驗(yàn)材料有四環(huán)素（98%，阿拉?。iO2（P25型號(hào)，德國(guó)德固賽degussa生產(chǎn)）、氚燈和UV。

1.2 四環(huán)素催化實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為了測(cè)試?yán)盟沫h(huán)素進(jìn)行催化的可行性及效率，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了在紫外光（250～410 nm）下通過(guò)TiO2對(duì)四環(huán)素（98%）進(jìn)行催化的實(shí)驗(yàn)裝置，并通過(guò)UV（紫外-可見分光度儀）來(lái)檢測(cè)樣品中四環(huán)素的含量。

1.2.1 實(shí)驗(yàn)體系

在500 mL水中配置四環(huán)素及TiO2的混合溶液，在磁力攪拌器下攪拌均勻后取0號(hào)樣，然后將混合溶液用錫紙完全包裹，置于氚燈下進(jìn)行紫外光的照射。在照射的前10 min，每2 min取一次樣，10 min后每隔5 min取一次樣，30 min時(shí)和90 min時(shí)各取一次樣。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在500 mL水中配置50 mg/L四環(huán)素和1.5 g/L的混合溶液，在磁力攪拌后，用錫紙包裹燒杯，然后進(jìn)行紫外光的照射來(lái)進(jìn)行四環(huán)素的催化。

1.2.3 測(cè)試體系

考慮到TiO2的吸光性，每次取樣后立馬離心并取上清液進(jìn)行吸光度的測(cè)定，并根據(jù)吸光度峰的變化分析四環(huán)素含量的變化。

1.2.4 實(shí)驗(yàn)效果

本項(xiàng)目一開始用銳鈦礦型的TiO2進(jìn)行四環(huán)素的催化，90 min僅能達(dá)到40%的催化率，而在換用P25后5 min就可以達(dá)到60%的催化率，20 min就能基本催化完全。

反應(yīng)的現(xiàn)象非常明顯，四環(huán)素-二氧化鈦混合溶液在顏色上從一開始的黃色逐漸變?yōu)槌裙?，然后逐漸變淡，最后催化完成后變?yōu)榘咨?，并且有一些類似嘔吐物的臭味。

1.2.5 四環(huán)素紫外和可見光譜降解機(jī)理分析

四環(huán)素原樣在273 nm及357 nm處有兩個(gè)明顯的吸收帶，它們分別對(duì)應(yīng)于苯環(huán)的E帶和B帶。由于四環(huán)素屬于稠環(huán)芳烴，苯環(huán)數(shù)目較多，因此，與苯自身相比，這兩條吸收帶都會(huì)發(fā)生紅移。隨著時(shí)間變長(zhǎng)，兩個(gè)吸收峰都逐漸降低，357 nm的吸收峰降低明顯，273 nm的吸收峰出現(xiàn)向左偏移的現(xiàn)象。最終273 nm的峰降低到一個(gè)很低的高度，357 nm處的吸收峰完全消失，表明四環(huán)素完全被催化。

1.2.6 對(duì)反應(yīng)效率提升的推測(cè)

考慮到pH值會(huì)對(duì)TiO2催化效率產(chǎn)生影響，本次實(shí)驗(yàn)是在未調(diào)整pH值的條件下進(jìn)行的，如果調(diào)整pH值，推測(cè)可以最大提升40%的催化速度。TiO2本身會(huì)吸收紫外光，因此TiO2的濃度會(huì)對(duì)催化效率造成一定的影響，根據(jù)文獻(xiàn)可以推測(cè)，降低一定的TiO2含量可以在5 min達(dá)到60%的催化率，在10 min達(dá)到基本完全催化的效果。

2 裝置處理部分

2.1 進(jìn)出料模塊

進(jìn)出料模塊主要面向采用水泡糞水沖糞處理工藝的養(yǎng)殖企業(yè)，水泡糞以及水沖糞內(nèi)部已經(jīng)含有大量的水，僅需二次補(bǔ)充少量水，保證稀釋液含水量，進(jìn)入到反應(yīng)釜當(dāng)中。

使用水泡糞以及水沖糞養(yǎng)殖方法的養(yǎng)殖場(chǎng)一般擁有一個(gè)相對(duì)完善的下水道系統(tǒng)，進(jìn)料模塊可以直接接入到養(yǎng)殖場(chǎng)未固液分離的水泡糞管道。在進(jìn)口位置增加注水側(cè)管、投料側(cè)管以及注水側(cè)管，注水側(cè)管接到液體補(bǔ)充水管（補(bǔ)充液體形成液相反應(yīng)環(huán)境），工人根據(jù)實(shí)際情況對(duì)反應(yīng)投入的物料按照1︰10的比例進(jìn)行液體補(bǔ)充。工人在投料側(cè)管投放其他類型的均勻打碎后的養(yǎng)殖廢物。在進(jìn)料口位置增加一個(gè)格柵，格柵將會(huì)對(duì)進(jìn)入反應(yīng)罐的液體進(jìn)行有效分離，避免大塊固體進(jìn)入到反應(yīng)罐，對(duì)罐體內(nèi)部的反應(yīng)裝置造成損傷。

因水泡糞養(yǎng)殖場(chǎng)本身已經(jīng)擁有固液分離的裝置，因此在反應(yīng)結(jié)束后直接將反應(yīng)后的水接入到固液分離裝置，反應(yīng)后分離出來(lái)的水隨下水管道排出到下水系統(tǒng)中，養(yǎng)殖廢物被排入沼氣池或其他處理設(shè)備繼續(xù)進(jìn)行處理。

2.2 光催化降解模塊

光催化降解模塊主要解決三個(gè)問(wèn)題：①作為光催化催化劑的載體和催化反應(yīng)所必須的一個(gè)載體；②光催化反應(yīng)的環(huán)境為反應(yīng)提供了液相環(huán)境和充足的光照；③有效去除其中含有的強(qiáng)耐藥性微生物，減少?gòu)?qiáng)耐藥性微生物對(duì)于外界的基因污染。

本項(xiàng)目所采用的光催化劑為改性二氧化鈦，本項(xiàng)目將二氧化鈦制成管狀，將二氧化鈦空長(zhǎng)管（管徑為16 mm）類似于板狀地連接成為一排在罐體內(nèi)?？紤]到養(yǎng)殖廢物內(nèi)部含有大量的強(qiáng)耐藥性微生物，所以本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的改性二氧化鈦的反應(yīng)環(huán)境為UV環(huán)境。反應(yīng)罐內(nèi)部的UV環(huán)境既是光催化的必備條件，也是有效去除養(yǎng)殖廢物內(nèi)部強(qiáng)耐藥性微生物較為合適的方法。綜合各方面因素，本項(xiàng)目選擇了UVC LED作為反應(yīng)提供光源，光催化在UVC環(huán)境下的反應(yīng)速度較快。但是UVC的穿透能力較弱，其穿透能力僅可以穿透10 mm的水層，在固體懸濁液內(nèi)部，其穿透性更弱，因此本項(xiàng)目將改性二氧化鈦管的直徑設(shè)計(jì)為16 mm。二氧化鈦管內(nèi)部增加UVC LED對(duì)反應(yīng)進(jìn)行催化，UVC LED的光強(qiáng)級(jí)設(shè)計(jì)為0.1 W/cm2。

底部經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的凈化和工作后，會(huì)沉積大量的固體，在每次工作結(jié)束后，用底部的高壓噴頭對(duì)底部進(jìn)行沖洗。高速水流會(huì)對(duì)罐體以及光觸媒進(jìn)行沖擊，因此需要適當(dāng)控制底部的水流，減少對(duì)于光觸媒的沖擊。底部的底板采用波浪板設(shè)計(jì)，波浪板設(shè)計(jì)能有效減緩水流沖擊，減少水流對(duì)底板和反應(yīng)板的沖擊。

2.3 工作流程

目前采用水泡糞工藝的養(yǎng)殖場(chǎng)一般會(huì)每日或者定期排放液體，內(nèi)部含水量較大時(shí)可以直接進(jìn)行處理。后期操作者加入其他類型的養(yǎng)殖廢物后，可視實(shí)際情況補(bǔ)充部分水生成水相。

液相在反應(yīng)罐內(nèi)反應(yīng)數(shù)分鐘后，從上端排出進(jìn)入水泡糞工藝后端的離心固液分離系統(tǒng)，固液分離后分離出的液體可與原水泡糞工藝中的尾水一并進(jìn)行處理，不進(jìn)行后續(xù)改造。

3 與現(xiàn)有方法的對(duì)比

與現(xiàn)有方法的對(duì)比如表1所示。

表1 與現(xiàn)有方法的對(duì)比

UVC環(huán)境光催化處理法膜過(guò)濾吸附法生物菌劑法發(fā)酵堆肥法 方法類別物化處理法物化處理法生物處理法生物處理法 處理時(shí)間短（5 min）較短（10 min）較長(zhǎng)（1 d）長(zhǎng)（21 d） 處理病原菌可以去除無(wú)法去除無(wú)法去除無(wú)法 適應(yīng)能力強(qiáng)較強(qiáng)較差差 適用種類適應(yīng)所有類型適應(yīng)所有類型針對(duì)性強(qiáng)適應(yīng)所有類型 使用難度低低較低高 痕量處理效果好較好差差 成本較低高較高低 耗能低高低低

4 總結(jié)

基于光催化的抗生素降解裝置能有效應(yīng)對(duì)現(xiàn)有的抗生素問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下可以有效解決該問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)抗生素的高效凈化，但是其降解效率仍然需要提升，并解決其中存在的大量不穩(wěn)定的問(wèn)題。

［1］王攀攀，袁巧霞，周文兵.光催化降解沼液中四環(huán)素類抗生素效果及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34（23）：193-198.

［2］張雪，房明朗，劉琳，等.TiO2光催化降解水體中抗生素的研究［J］.輕工科技，2018，34（7）：100-101.

［3］陳宇溪，羅力莎，時(shí)崢，等.Ag摻雜型TiO2粉末光催化降解四環(huán)素類抗生素廢水［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（13）：30-32.

［4］楊濱，應(yīng)光國(guó)，趙建亮，等.高鐵酸鉀氧化降解新興有機(jī)污染物的研究進(jìn)展［J］.環(huán)境化學(xué)，2013，32（1）：54-64.

［5］劉鋒，陶然，應(yīng)光國(guó)，等.抗生素的環(huán)境歸宿與生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，30（16）：4503-4511.

［6］劉鋒，應(yīng)光國(guó)，周啟星，等.抗生素類藥物對(duì)土壤微生物呼吸的影響［J］.環(huán)境科學(xué)，2009，30（5）：1280-1285.

O643.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.060

2095－6835（2019）14－0132－02

〔編輯：王霞〕