超聲空化效應降解抗生素廢水

史雅慧 張繼超 劉媛媛

【摘 要】綜述抗生素廢水的特點，分析超聲空化降解效應的影響因素，介紹了超聲空化效應對各種有機污染物的降解的研究現狀，并對目前超聲空化效應對于抗生素廢水的降解研究存在的問題進行探討。

【關鍵詞】超聲空化效應；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菌感染的一類藥物，自1928年，弗萊明爵士發現了由青霉菌產生的青霉素以來，已有百余種抗生素被相繼被開發使用，有效地保障了地球上各種生物生命的健康。

然而有些醫藥行業的人員為牟取暴利、醫療技術缺乏、藥品管理監管混亂等原因，抗生素用量過大，品種選用不合理，現象越來越嚴重。目前，抗生素對人類和生態環境的負面作用也逐漸開始顯現，并且其結構的穩定性和復雜性以及生物毒性大的特點很難在環境中被微生物降解[1]。超聲空化效應降解技術是一種清潔、無二次污染的技術，近20年來國內外許多學者研究了超聲空化對農藥、染料等有機廢水的研究，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的反應過程[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，進而影響有機物的降解效果。

2.1 液體的溫度

溫度升高，會導致液體的飽和蒸汽壓升高，空化效應減弱。盡管提高溫度有利于化學反應速度加快，但是超聲降解是基于空化效應產生的·OH等自由基和高溫熱解等機理[3]。多個實驗研究表明，超聲空化在低溫下進行的較好，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現溫度控制在20～50℃之間對反應速率影響不大。這是由于高溫下液體內的反應加速，但是超聲空化效應減弱；而在低溫下反應速度不如高溫時劇烈，但是空化效應卻比高溫條件下要強。

2.2 液體的pH值

pH值可以改變物質的物理化學性質，影響溶液中有機物的存在狀態，一定程度上影響超聲波降解有機物的效率。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。利用超聲波對未進行pH值（接近于中性）調節及用硫酸調節pH值為2.8的甲基橙溶液處理90分鐘后，發現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構和顏色均隨pH的變化而發生變化，在酸性條件下甲基橙為醌式，以分子狀態存在；而在pH為6.5時甲基橙以偶氮式結構，以離子態存在。

2.3 聲功率

有機物的降解速率一般是隨著聲功率強度的增強而增大，能量輸入的增加能使產生的空化泡的數量增加，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]研究發現，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系。不過功率過高反而會適得其反，這是由于空化泡的數量多到一定程度后，就會存在“過量”問題。過多的氣泡會在聲波的負相長的很大而造成“氣屏”效應，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.超聲空化效應對有機物的降解

3.1有機染料的降解

染料廢水排量大，色度高，COD大，BOD低，成分復雜，毒性高，屬于難降解的工業廢水。近20年來，國內外的許多學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進行了實驗研究，探討了超聲波功率、聲強、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農藥的降解

農藥廢水目前也是很難進行傳統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的影響。結果表明：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，降解率可達到95%以上。

3.3 酚類的降解

含酚廢水是當今世界上危害大、污染范圍廣的工業廢水之一。在許多工業領域諸如煤氣、焦化、煉油、冶金、機械制造、玻璃、油漆等工業排出的廢水中均含有酚類物質。

Yoshio Nagata[10]在有空氣和氬氣的條件下對于2-、3-和4-氯酚進行超聲空化降解。結果發現，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動力學。氯酚的超聲空化降解反應能夠有效的被自由基捕獲劑t-BuOH阻止，但是反應不能夠完全停止，這表明氯酚的超聲降解主要通過·OH自由基反應，熱分解也能夠發生，但是對于降解反應所起的作用比較小

4.超聲空化效應對抗生素廢水的降解探討

抗生素的化學性質一般比較穩定，并且對常見的微生物具有抑制作用，利用傳統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，超聲波對于結構穩定，對微生物具有抑制性的物質的降解效果占據明顯優勢。對于超聲波對抗生素廢水的降解提出以下觀點以下觀點以供嘗試：

將超聲空化效應與其他技術進行聯合，比如TiO2、O3、零價鐵等以加強抗生素廢水的COD去處效率，提高處理效果。

參考文獻：

[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值模擬研究[J].陜西師范大學學報，2008，36（1）：38-42.

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

[4] 尚巖，尚琳，彭亞男，等.超聲降解有機廢水影響因素的探討[J].哈爾濱商業大學學報，2003，19（3）：277-281.

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

[6] 邢鐵玲，K. H. Chu，陳國強.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].高校化學工程學報，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藥的研究[J].哈爾濱工業大學學報，2009，41（3）：172-174.

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

基金項目：

山東協和學院校級科研項目（XHXY201531）。