钟为章,耿晓玲,李贵霞,高　湘,李再兴,王勇军,马宏娟

(1.河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄　050018；2. 河北省污染防治生物技术实验室，河北石家庄　050018；3.华北制药集团有限责任公司环境保护研究所，河北石家庄　050015)



微波-碱预处理对土霉素菌渣减量化效果研究

钟为章1,2,耿晓玲1,2,李贵霞1,2,高湘1,2,李再兴1,2,王勇军3,马宏娟1,2

(1.河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄050018；2. 河北省污染防治生物技术实验室，河北石家庄050018；3.华北制药集团有限责任公司环境保护研究所，河北石家庄050015)

为了对土霉素菌渣进行减量化处理，采用微波-碱联合作用的方法，通过正交试验和单因素试验，考察了NaOH投加量、微波功率和含水率对悬浮固体(SS)去除率的影响。试验结果表明，最佳反应条件为NaOH投加量0.09 g/g(质量分数)，微波功率700 W和含水率96%，这时SS去除率达56%以上。通过扫描电镜对溶胞效果进行分析可知，该研究的土霉素菌渣减量化效果较好，可为抗生素菌渣减量化提供技术参考。

固体污染防治工程；土霉素菌渣；微波-碱预处理；悬浮固体(SS)；菌渣形态

中国已经成为世界上最大的抗生素原料药生产与出口大国，产量位居世界第一[1]，每年产生的抗生素菌渣高达100万t以上。农业部于2002年将抗生素菌渣列入《禁止在饲料和动物饮用水中使用的药物品种目录》，在2008年施行的《国家危险废物名录》中，抗生素菌渣须按危险废物进行处置。如何实现抗生素菌渣的减量化、无害化和资源化成为亟待解决的问题[2-4]。

抗生素菌渣的处理方法主要有微波辐射、碱处理、热处理以及多种联合预处理技术[5-7]。其中，微波辐射技术具有加热均匀、升温速度快、易于操纵、节能高效等优点[8]，逐步受到重视并应用于抗生素菌渣的预处理过程；碱预处理可加快菌渣胞外多聚物、细胞壁、细胞质中的脂类等大分子物质的水解[9]，其优点为操作方便、高效率、低能耗。将这两项技术联合起来对抗生素菌渣进行预处理，是近两年笔者所做的一种尝试，而这方面研究的报道尚未发现。

本试验以某企业土霉素菌渣为研究对象，采用微波-碱预处理方法对其进行减量化处理试验研究，通过正交试验分析微波-碱预处理的主要影响因素[10]，并进行单因素试验，确定微波-碱联合预处理的最佳反应条件，最后通过扫描电镜观察预处理前后菌渣的形态变化，明确了微波-碱预处理对土霉素菌渣减量化的效果。

1　材料与方法

1.1菌渣来源

抗生素菌渣取自某土霉素生产企业，其形态呈土黄色黏土状，菌渣理化性质见表1。将菌渣调节至96%的含水率后，其pH值为2.12，悬浮固体(SS)质量浓度为36.56 g/L，挥发性悬浮固体(VSS)质量浓度为30.34 g/L，溶解性化学需氧量(SCOD)质量浓度为2 243.20 mg/L，氨氮质量浓度为24.60 mg/L。

表1　土霉素菌渣理化性质

注：表中TS表示总固体；VS表示挥发性固体；TCOD表示总化学需氧量。

1.2试验材料

浓硫酸(98%，质量分数)、重铬酸钾、硫酸亚铁铵、氢氧化钠、纳什试剂、酒石酸钾纳、硼酸、过氧化氢(30%，质量分数)等，均为分析纯试剂，试验用水均为RO反渗透水。

DHG-9070型电热恒温鼓风干燥器，上海一恒科学仪器有限公司提供；SHB-Ⅲ型循环水式多用真空泵，郑州长城科工贸有限公司提供；格兰仕WMX微波密封消解COD速测仪，汕头市环海工程总公司提供；格兰仕WP750型微波炉，顺德市格兰仕电器实业有限公司提供；722E型可见分光光度计，上海光谱仪器有限公司提供；SXL-1208型程控箱式电炉，上海精宏实验设备有限公司和太仓精宏仪器设备有限公司提供；FE20型pH计，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司提供。

1.3试验方法

分别取不同含水率的土霉素菌渣50 mL，加入NaOH溶液调节至NaOH/TS预定值，微波辐射30 s，再将其置于35 ℃下水浴加热2 h，取出后分别测定pH值和SS。

1.4分析方法

COD测定采用重铬酸钾法；pH值测定采用玻璃电极法；TS，SS，VS和VSS测定均采用重量法；氨氮测定采用纳氏试剂光度法；凯氏氮测定采用蒸馏-滴定法；

采用美国FEI Quanta200型扫描电镜观察微波-碱预处理前后的菌渣形态。

2　结果与讨论

试验通过探讨NaOH投加量、微波功率和含水率对土霉素菌渣的SS去除率的影响，分析反应体系中各因子对体系的影响大小并确定达到最大减量化的最佳反应条件。

2.1正交试验结果与分析

为了初步确定最佳反应条件，本试验设计了以微波功率(A)、NaOH投加量(B)、含水率(C)为变量的3因素3水平正交试验，正交试验因素水平表如表2所示，试验结果见表3。

表2　正交试验因素水平表

由表3正交试验的极差大小可知，3个因素对试验结果影响程度大小的顺序是：NaOH投加量>微波功率>含水率；由3组均值k1，k2，k3初步确定最佳反应条件为A3B3C2，即NaOH投加量为0.08 g/g(质量分数，下同)，微波功率为600 W，含水率为95%。

2.2单因素试验

根据正交试验结果，结合影响试验的主要因素和初步确定的最佳反应条件，进一步开展单因素试验，确定土霉素菌渣减量化的最佳反应条件。

表3　正交试验结果

图1　NaOH投加量对SS去除率和pH值的影响Fig.1　Effect of the dosage of NaOH to SS removal rate and pH value

2.2.1最佳NaOH投加量的确定

为考察NaOH投加量对SS去除率的影响，结合正交试验确定的最佳反应条件，控制微波功率为600W、含水率为95%，NaOH投加量分别为0.05，0.06，0.07，0.08，0.09，0.10，0.11g/g时，考察不同NaOH投加量对土霉素菌渣SS去除率的影响，试验结果见图1。

由图1可知，随着NaOH投加量的增加，SS去除率急剧上升，在0.09～0.10g/g之间达到较大，分别为54.13%和54.24%，此时反应后pH值分别为8.80和9.96；但NaOH投加量增加到0.11g/g，反应后pH值达到11.1时，SS去除率开始有所降低。

分析原因可能是微波产生的高温和高pH值会促进美拉德反应的发生[11]，经过微波和碱处理过的菌渣的溶解性有机物增加，促进羰基化合物(还原糖类)和氨基化合物(氨基酸和蛋白质)间的反应，导致产生褐变现象，其产物一部分是难降解的，甚至一部分是难溶解的[12-13]。因此，最终确定最佳NaOH投加量为0.09g/g。

2.2.2最佳微波功率的确定

结合正交试验初步确定的最佳反应条件，控制NaOH投加量为0.09g/g，含水率为95%，分别考察微波功率为300，400，500，600，700，800，900W时对SS去除率的影响，试验结果如图2所示。

图2　微波功率对SS去除率和pH值的影响Fig.2　Effect of the microwave power to SS removal rate and pH value

从图2可以看出，随着微波辐射功率的增加，SS去除率呈现逐步增加的趋势，在微波功率为600W时SS去除率达到最高，最大值为54.13%，此时pH值为8.80，之后随着微波功率的增加，SS去除率有所增加但变化缓慢，pH值变化也相对不大。

微波辐射是通过高频电磁场的作用使菌渣及其中的水分子不断加速运动、相互碰撞，促使菌渣结构脱稳、破坏菌渣絮体结构，同时微生物细胞、胞外聚合物等大分子得到破碎，胞内物质溶出水解，从而达到了菌渣破解减量的目的[14-16]。大功率的微波辐射有利于土霉素菌渣的减量，但功率过大会造成细胞壁结构过度破坏，对减量效果没有明显改善而且造成能源浪费[17]。综合考虑成本因素，最终确定最佳微波辐射功率为600W。

2.2.3最佳含水率的确定

为考察含水率对SS去除率的影响，结合初步确定的最佳反应条件，控制NaOH投加量为0.09g/g，微波功率为600W，考察含水率分别为93%，94%，95%，96%，97%，98%时对SS去除率的影响，试验结果如图3所示。

图3　含水率对SS去除率和pH值的影响Fig.3　Effect of initial moisture to SS removal rate and pH value

从图3可以看出，随着含水率的增加，SS去除率不断增加，当含水率达到96%时，SS去除率为56.38%，达到最大值，此时pH值为8.66；但含水率增加到98%和99%时，SS去除率反而有所降低，pH值也上下波动，呈不规律变化。

水是微波辐射和碱解良好的吸收介质，适宜的含水率有利于微波的吸收和碱的反应，更加有利于热量的传播和物质的渗出，从而达到良好的减量化效果[18]。但是过高的含水率会影响样品的升温速度，对细胞的破壁和溶解产生阻碍作用。因此，该试验确定最佳含水率为96%。

2.3稳定性试验

为考察微波-碱在最佳反应条件下(即NaOH投加量为0.09g/g、微波功率为600W、含水率为96%)对土霉素菌渣的减量化效果和稳定性，分别对3批土霉素菌渣样品进行平行试验，试验结果如表4所示。

由表4平行试验结果可知,采用微波-碱预处理对土霉素菌渣进行减量化处理,并确定最佳处理条件,处理后SS去除率达到56%以上。

2.4扫描电子显微镜(SEM)分析

微波-碱预处理破坏土霉素菌渣内的细胞结构,使胞内物质释放,达到减量化的目的。为更好地研究微波-碱预处理对菌渣减量的影响,对预处理前后的菌渣进行了扫描电子显微镜分析[19],观察菌渣形态的变化，更好地了解菌渣减量的途径及原因。

表4 稳定性试验结果
Tab.4 Result of stability test 56.80

图4　处理前后土霉素菌渣的SEM照片Fig.4　SEM photos of terramycin bacterial residue before and after reaction

从图4可以看出，在菌渣电镜照片放大35 000倍后，图4a)中未处理的菌渣中杆状菌较多，菌体较大，且菌体表面紧凑、光滑，细胞比较完整。图4b)中，经微波-碱预处理后的菌渣中杆状菌分布稀少，且菌体长度减小；同时，菌体细胞变得不完整，菌体中间出现断裂、细胞变瘪。

由上述现象可以初步判定微波-碱预处理对菌渣的影响较大。造成以上现象的原因是：微波辐射的瞬时性和高效性会导致细胞局部受热，菌丝体细胞胞内压力骤增，细胞壁不能承受如此大的内压，从而出现缺口而破裂；碱处理中起主要作用的是·OH，·OH可以使细胞壁的膨胀压失衡而破裂，还能对细胞壁和细胞膜上的蛋白质和脂多糖进行水解、皂化反应，破坏菌丝体细胞结构，使胞内物质释放[20-22]。微波和碱的协同作用有效地提高了土霉素菌渣的减量化效果。

3　结　论

采用微波-碱预处理土霉素菌渣，可取得较好的减量化效果：

1)通过正交试验，确定了NaOH投加量、微波功率和含水率3个因素对SS去除率的影响程度，结果表明，NaOH投加量>微波功率>含水率；

2)通过单因素试验，确定最佳反应条件为NaOH投加量0.09g/g、微波功率600W、含水率96%，处理后SS去除率达到56%以上；

3)通过扫描电镜观察土霉素菌丝体细胞的形态变化，直观地分析了微波-碱预处理对土霉素菌渣的破壁效果，为抗生素菌渣减量化提供技术参考。

/< class="emphasis_italic">References

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Effect research of microwave-alkaline pretreatment on the minimization of the terramycin bacterial residue

ZHONG Weizhang1,2， GENG Xiaoling1,2， LI Guixia1,2， GAO Xiang1,2，LI Zaixing1,2，WANG Yongjun3，MA Hongjuan1,2

(1.School of Environmental Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China；2.Pollution Prevention Biotechnology Laboratory of Hebei Province， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 3.Envinmental Protection Institute， NCPC， Shijiazhuang， Hebei 050015， China)

For the minimization of terramycin bacterial residue, microwave-alkaline pretreatment is used. By measuring the changes of suspended solids and pH in the reaction system，the effect of different dosage of NaOH，microwave power and initial moisture on the minimization of the terramycin bacterial residue is investigated. Orthogonal experiment and single fact experiment are applied to determine the optimal reaction conditions. The results show that the best operating conditions are the dosage of NaOH is 0.09 g/g， microwave power is 700 W and the initial moisture is 96%. Under these conditions the removal rate of SS is more than 56%. In addition，the effect of the solution is analyzed by scanning electron microscopy. This study achieves ideal minimization results of terramycin residue，which provide technical reference for antibiotics residue minimization.

prevention and control project of solid pollution； terramycin bacterial residue； microwave-alkaline pretreatment； suspended solids(SS)； residue form

1008-1542(2016)04-0390-06

10.7535/hbkd.2016yx04012

2015-11-13；

2016-01-13；责任编辑：王海云

国家自然科学基金(51478160)

钟为章(1983—)，男，湖南新邵人，讲师，博士，主要从事污水处理和固体废弃物处理处置方面的研究。

李再兴教授。E-mail:li_zaixing@163.com

X705

A

钟为章,耿晓玲,李贵霞，等.微波-碱预处理对土霉素菌渣减量化效果研究[J].河北科技大学学报,2016,37(4):390-395.

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