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

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 機電學院，湖北 武漢 430070）

主要研究內(nèi)容是設(shè)計一類新型的降解養(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題。提出的設(shè)計方案共由兩大部分組成，分別是材料化學光催化部分和裝置循環(huán)處理部分。對于材料化學光催化部分，設(shè)計了一種新型光催化材料，以有效降解抗生素殘留，并對其化學變化進行分析。裝置循環(huán)處理部分解決了反應環(huán)境和處理前后的物質(zhì)循環(huán)問題。

抗生素殘留；循環(huán)處理；光催化；反應效率

1 材料化學部分

1.1 實驗裝置與材料

本實驗中采用的實驗材料有四環(huán)素（98%，阿拉丁）、TiO2（P25型號，德國德固賽degussa生產(chǎn)）、氚燈和UV。

1.2 四環(huán)素催化實驗過程

為了測試利用四環(huán)素進行催化的可行性及效率，本項目設(shè)計了在紫外光（250～410 nm）下通過TiO2對四環(huán)素（98%）進行催化的實驗裝置，并通過UV（紫外-可見分光度儀）來檢測樣品中四環(huán)素的含量。

1.2.1 實驗體系

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號樣，然后將混合溶液用錫紙完全包裹，置于氚燈下進行紫外光的照射。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時和90 min時各取一次樣。

1.2.2 實驗過程

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，然后進行紫外光的照射來進行四環(huán)素的催化。

1.2.3 測試體系

考慮到TiO2的吸光性，每次取樣后立馬離心并取上清液進行吸光度的測定，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 實驗效果

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

反應的現(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)槌裙猓缓笾饾u變淡，最后催化完成后變?yōu)榘咨⑶矣幸恍╊愃茋I吐物的臭味。

1.2.5 四環(huán)素紫外和可見光譜降解機理分析

四環(huán)素原樣在273 nm及357 nm處有兩個明顯的吸收帶，它們分別對應于苯環(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，這兩條吸收帶都會發(fā)生紅移。隨著時間變長，兩個吸收峰都逐漸降低，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 對反應效率提升的推測

考慮到pH值會對TiO2催化效率產(chǎn)生影響，本次實驗是在未調(diào)整pH值的條件下進行的，如果調(diào)整pH值，推測可以最大提升40%的催化速度。TiO2本身會吸收紫外光，因此TiO2的濃度會對催化效率造成一定的影響，根據(jù)文獻可以推測，降低一定的TiO2含量可以在5 min達到60%的催化率，在10 min達到基本完全催化的效果。

2 裝置處理部分

2.1 進出料模塊

進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，僅需二次補充少量水，保證稀釋液含水量，進入到反應釜當中。

使用水泡糞以及水沖糞養(yǎng)殖方法的養(yǎng)殖場一般擁有一個相對完善的下水道系統(tǒng)，進料模塊可以直接接入到養(yǎng)殖場未固液分離的水泡糞管道。在進口位置增加注水側(cè)管、投料側(cè)管以及注水側(cè)管，注水側(cè)管接到液體補充水管（補充液體形成液相反應環(huán)境），工人根據(jù)實際情況對反應投入的物料按照1︰10的比例進行液體補充。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。在進料口位置增加一個格柵，格柵將會對進入反應罐的液體進行有效分離，避免大塊固體進入到反應罐，對罐體內(nèi)部的反應裝置造成損傷。

因水泡糞養(yǎng)殖場本身已經(jīng)擁有固液分離的裝置，因此在反應結(jié)束后直接將反應后的水接入到固液分離裝置，反應后分離出來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問題：①作為光催化催化劑的載體和催化反應所必須的一個載體；②光催化反應的環(huán)境為反應提供了液相環(huán)境和充足的光照；③有效去除其中含有的強耐藥性微生物，減少強耐藥性微生物對于外界的基因污染。

本項目所采用的光催化劑為改性二氧化鈦，本項目將二氧化鈦制成管狀，將二氧化鈦空長管（管徑為16 mm）類似于板狀地連接成為一排在罐體內(nèi)。考慮到養(yǎng)殖廢物內(nèi)部含有大量的強耐藥性微生物，所以本項目所設(shè)計的改性二氧化鈦的反應環(huán)境為UV環(huán)境。反應罐內(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)部強耐藥性微生物較為合適的方法。綜合各方面因素，本項目選擇了UVC LED作為反應提供光源，光催化在UVC環(huán)境下的反應速度較快。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，因此本項目將改性二氧化鈦管的直徑設(shè)計為16 mm。二氧化鈦管內(nèi)部增加UVC LED對反應進行催化，UVC LED的光強級設(shè)計為0.1 W/cm2。

底部經(jīng)過一段時間的凈化和工作后，會沉積大量的固體，在每次工作結(jié)束后，用底部的高壓噴頭對底部進行沖洗。高速水流會對罐體以及光觸媒進行沖擊，因此需要適當控制底部的水流，減少對于光觸媒的沖擊。底部的底板采用波浪板設(shè)計，波浪板設(shè)計能有效減緩水流沖擊，減少水流對底板和反應板的沖擊。

2.3 工作流程

目前采用水泡糞工藝的養(yǎng)殖場一般會每日或者定期排放液體，內(nèi)部含水量較大時可以直接進行處理。后期操作者加入其他類型的養(yǎng)殖廢物后，可視實際情況補充部分水生成水相。

液相在反應罐內(nèi)反應數(shù)分鐘后，從上端排出進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行處理，不進行后續(xù)改造。

3 與現(xiàn)有方法的對比

與現(xiàn)有方法的對比如表1所示。

表1 與現(xiàn)有方法的對比

UVC環(huán)境光催化處理法膜過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 處理時間短（5 min）較短（10 min）較長（1 d）長（21 d） 處理病原菌可以去除無法去除無法去除無法 適應能力強較強較差差 適用種類適應所有類型適應所有類型針對性強適應所有類型 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對現(xiàn)有的抗生素問題，在實驗室環(huán)境下可以有效解決該問題，實現(xiàn)對抗生素的高效凈化，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)定的問題。

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O643.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.060

2095－6835（2019）14－0132－02

〔編輯：王霞〕