鲍大利，孙志龙，胡淑恒

（合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009）

0 引言

我国是抗生素使用和生产大国[1]，抗生素年产量约为24.8 万t，占世界总产量的70%[2]，其中我国青霉素原料药的产量约为8.8 万t/年，占全球青霉素总产量的75%。抗生素菌渣是制药工序中抗生素菌种发酵后产生的废弃物[3]，干基中的粗蛋白含量占30%以上[4]。据估计，每生产出1t 的抗生素，就会产生8～10t 的抗生素菌渣[5-6]，按此计算，我国每年产生的青霉素菌渣量约为70万～90 万t。抗生素菌渣属于《国家危险废物名录》[7]中HW02 类医药废物，如果处理不当，不仅会造成资源浪费，还会对环境和人体健康造成危害。

厌氧消化技术目前已经成为处理城市垃圾的重要手段。厌氧消化技术能够将青霉素菌渣中的有机物质能转化为可以直接利用的沼气，从而实现菌渣资源化利用和保护环境的目的。但将青霉素菌渣直接进行厌氧消化时，资源化利用效率低，因此在对青霉素菌渣厌氧消化前，需要对青霉素菌渣进行预处理，其主要目的是破坏抗生素菌渣的菌丝体，释放细胞内的有机物。预处理方法主要有物理预处理法（如超声、水热[8]、高压均质[9-10]、微波等）、化学预处理法（如碱解预处理、酸解预处理和强氧化剂氧化等）以及生物处理法（如生物酶处理和厌氧消化处理等）。但单一的物理或化学预处理手段往往存在一些不足，目前常用的是将物理和化学联合起来的预处理方法，如有碱-热预处理[11-12]、碱-高压均质预处理[13]、酸-热预处理、碱-超声预处理[14-15]等。有研究表明，碱和热对微生物细胞均具有极大的破坏作用[16]，且碱热预处理成本低、易操作等优点。本研究采取碱-热预处理青霉素菌渣，通过正交实验和单因素实验方法确定最佳预处理条件，并在碱-热预处理的基础上进一步进行青霉素菌渣的厌氧消化实验，研究碱-热预处理对青霉素菌渣产气性能的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

实验所用的青霉素菌渣来取自华北制药集团，青霉素菌渣在工厂内已经经过脱水烘干冷藏处理，质地坚硬，含固率90.88%，挥发分占88.20%，C/N 为4.78，青霉素残留浓度577.96μg/kg。接种污泥取自安徽省合肥市某城市污水处理厂的厌氧池污泥，含固率4.33%，挥发分为78.22%。

1.2 方法

1.2.1 碱-热预处理正交实验设计

实验采用500mL 圆底烧瓶，有效容积300mL，采用油浴的方式对含固率为10%的青霉素菌渣进行碱-热预处理，实验装置如图1 所示。对碱投加量、温度以及加热时间，设计正交实验，正交实验因素水平表如表1所示。预处理后取样分析，以SCOD 浓度和溶出率为指标，初步确定碱-热预处理最佳条件。

表1 正交实验因素水平

图1 预处理装置

1.2.2 碱-热预处理单因素实验设计

根据正交实验得出的较为优越的反应条件为基础，按每个影响因素的影响程度大小进行单因素实验，确定最佳碱-热预处理条件。

1.2.3 厌氧消化实验设计

实验采取摇瓶试验方法，使用250mL 圆底烧瓶进行厌氧发酵，有效体积为150mL，发酵底物为预处理后的青霉素菌渣，发酵底物含固率为5%，污泥接种为有效体积的30%，中温（35℃）发酵，使用盐酸或NaHCO3调节pH 为7.0 左右，每天摇瓶2 次，设置空白组，空白组中青霉素菌渣不做任何预处理，每组设置2 个平行，每日通过排水法统计产气量。

1.2.4 分析方法

含固率和挥发性固体浓度使用重量法测定；C、H、N 元素的测定：元素分析法；SCOD 浓度分析采用离心、重铬酸钾消解法测定；SCOD 溶出率的计算方法为：

其中：SCOD1——预处理前青霉素菌渣样品的SCOD 浓度；SCOD2——预处理后青霉素菌渣样品的SCOD 浓度。

2 结果与分析

2.1 正交实验结果与讨论

对正交实验结果计算得出，各影响因素对青霉素菌渣碱-热预处理影响程度为：碱投加量＞温度＞加热时间，初步确定最佳碱-热预处理条件为：NaOH 投加量为0.14gNaOH/（gTS）、温度为105℃、加热时间为120min。正交实验结果如表2 所示。

表2 正交实验结果

2.2 单因素实验结果与讨论

2.2.1 碱投加量的确定

如图2 所示，在碱投加量从0.08gNaOH/（gTS）上升至0.14gNaOH/（gTS）时，SCOD 浓度增长迅速，SCOD 溶解率随之增大，当碱投加量增加到0.16gNaOH/（gTS）时，SCOD 溶解率呈下降趋势。根据实验结果，碱的最佳投加量为0.14gNaOH/（gTS），SCOD 浓度达到最大，为11122mg/L。

图2 碱投加量对青霉素菌渣预处理效果的影响

2.2.2 加热温度的确定

如图3 所示，温度在85～105℃时，SCOD 增加速度较快，SCOD 溶解率随之增大，加热温度由105℃提高至125℃时，SCOD 浓度只提高了410mg/L，从经济角度出发，选择温度为105℃。

图3 温度对青霉素菌渣预处理效果的影响

2.2.3 加热时间的确定

如图4 所示，随着加热时间的增加，SCOD 浓度不断增大，SCOD 溶解率随之增大，其中加热时间在60～120min时，SCOD 增加速度较快，加热温度在120～180min 时，SCOD 变化不明显，故选择加热时间选择为120min。

图4 加热时间对青霉素菌渣预处理效果的影响

2.3 厌氧消化实验结果与讨论

如图5 所示，经过预处理的青霉素菌渣日产气量明显高于未处理的菌渣，在系统运行的第18d，未经过预处理的实验组停止产气，而经过预处理一直在厌氧发酵进行的第23d 才停止产气，这是由于经过碱-热预处理，使得细胞内的有机物更好的释放，抗生素菌渣的厌氧消化得以强化，日产气量和累计产气量有所提高。

图5 预处理对青霉素菌渣厌氧消化产甲烷的影响

2.4 实验结论

（1）采用碱-热预处理方法对含固率为10%的青霉素菌渣进行碱-热预处理，得出预处理影响程度为：碱投加量＞温度＞加热时间，最佳碱-热预处理工艺条件为：碱投加量0.14gNaOH/（gTS），温度105℃，加热时间120min。

（2）使用碱-热预处理后的青霉素菌渣进行厌氧消化小试实验，接种污泥为厌氧污泥A，设置接种率为有效体积的30%，发酵底物含固率为5%，发酵温度35℃，并以未经过预处理的青霉素菌渣为空白组，对比发现使用碱-热预处理后的青霉素菌渣进行厌氧消化其产气量是未经过碱-热预处理的青霉素菌渣厌氧消化产气量的2.6 倍。