超声/碱预处理对青霉素菌渣厌氧消化的影响研究

李再兴，高 妍，钟为章，李贵霞，刘 春，郭嘉运，王勇军，杨永会

(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.河北衡水第一中学，河北衡水 053000；4.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)



超声/碱预处理对青霉素菌渣厌氧消化的影响研究

李再兴1,2，高 妍1,2，钟为章1，2，李贵霞1，2，刘 春1，2，郭嘉运3，王勇军4，杨永会4

(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.河北衡水第一中学，河北衡水 053000；4.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)

为了提高菌渣厌氧消化生产沼气的效率，最终实现菌渣的资源化和减量化，采用超声/碱预处理方法处理青霉素菌渣，考察了pH值、超声声能密度、含水率和反应时间对预处理效果的影响，并通过生化产甲烷潜力(BMP)试验考察了菌渣的可生化性。正交试验结果表明：超声/碱预处理可强化菌渣破壁效果，促进胞内有机物溶出，其最佳预处理条件：pH值为10，声能密度为2.0 W/mL，含水率为97%，反应时间为5 min，COD溶出率最高能达到84.69%，是单独超声预处理的2.08倍。BMP试验表明，预处理各因素对菌渣沼气产率的影响程度为含水率>声能密度>反应时间>pH值。按照甲烷产率确定最佳预处理条件：pH值为9,声能密度为0.5 W/mL,含水率为96%,反应时间为30 min，其甲烷产率最高可达335 mL/g，是未处理菌渣甲烷产率的2.2倍。

三废处理与综合利用；青霉素菌渣；超声/碱预处理；厌氧消化；生化产甲烷潜力

抗生素菌渣作为一种特殊的危险废物，其安全、合理、有效地处理处置已成为目前制药行业亟待解决的难题[1-5]。抗生素菌渣(干基)中有机质含量高达90%以上，可作为生物质能源被开发利用[6-10]，其中采用厌氧消化技术是实现菌渣减量化、资源化的有效途径之一[11]。但是由于抗生素菌渣中的菌丝体具有刚性的细胞壁[12]，胞内有机质释放困难，难以被快速降解。为此，需采取物理、化学等手段对菌渣中的菌丝体进行破壁预处理，以提高菌渣中有机质的利用率和沼气产率[13]。研究表明采用超声/碱预处理方法对污泥、秸秆等生物质进行预处理[14-17]，可增加胞内有机质的溶出率，有利于提高产气量，进而提高厌氧消化效率。李再兴等[13]采用碱热联合等工艺对链霉素菌渣进行预处理，结果表明菌渣中的溶解性化学需氧量(SCOD)提高了66.39%，甲烷产量提高了14.21%。钟为章等[11]利用碱热联合法预处理链霉素菌渣，结果证明预处理能够有效地提高沼气产量，挥发性固体(VS)去除率达到64%左右。抗生素菌渣与污泥构成类似，可参考相应的处理方法进行预处理。采用正交试验对青霉素菌渣进行超声/碱预处理试验研究，考察不同预处理时间、pH值、声能密度和菌渣含水率等条件下菌渣的破胞效果，并进行生物化学产甲烷潜能试验(BMP)对不同处理条件下菌渣的可生化性进行评价，从而确定最佳的预处理工艺条件，为开展抗生素菌渣厌氧消化处理提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置

图1 BMP试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of device of BMP test

1)超声波破碎装置

超声波破碎装置采用宁波新芝生物科技股份有限公司生产的超声波细胞粉碎机，型号为JY98-ⅢN，最大功率为1 200 W，工作频率的范围为20～25 kHz。

2)BMP试验装置

BMP试验装置如图1所示。厌氧消化瓶采用150 mL锥形瓶，接种70 mL厌氧污泥，加入一定量的菌渣后，将其置于35 ℃恒温水浴箱中，产生的沼气通过导气管进入排水集气系统计量。

1.2 试验菌渣和接种污泥

1)试验菌渣

试验用青霉素菌渣取自华北制药集团青霉素生产车间，其主要理化性质见表1。

2)接种污泥

接种污泥取自某淀粉厂废水处理站的厌氧颗粒污泥，颗粒较大成灰黑色或灰褐色，具有良好的沉降性能，污泥的最大比产甲烷速率为240 mL/(g·d)。

1.3 试验方法

1)单独超声预处理

取一定量的菌渣，加水调配至不同的含水率，进行超声预处理试验，反应一定时间后取样分析。

2)超声/碱预处理

本试验拟采用正交试验法，开展超声/碱预处理试验研究。正交试验因素、水平见表2，试验条件见表3。取一定量的菌渣，加水调配至不同的含水率，再用5 mol/L NaOH溶液调节其pH值，然后进行超声处理，反应一定时间后取样分析。

表1 青霉素菌渣主要理化性质

注：TS菌渣为菌渣的总固体；VS菌渣为菌渣的挥发性固体；SS菌渣为菌渣的悬浮固体；VSS菌渣为菌渣的挥发性悬浮固体；SCOD菌渣为菌渣的溶解性化学需氧量；TCOD菌渣为菌渣的总化学需氧量。

表2 正交试验的因素和水平

表3 正交试验表

3)BMP试验

将一定量预处理后的菌渣与70 mL的接种污泥充分混合，然后置于150 mL的锥形瓶中，定容到100 mL，并以0.5 L/min的流速通入N2以排除空气中的氧气，最后用橡胶塞密封并置于35 ℃的恒温水浴中振荡发酵20天，另取70 mL接种污泥(作为空白)和未处理的菌渣(作为对照)分别单独进行厌氧消化。

1.4 分析方法

pH值采用酸度计法测定，TS，VS，SS，VSS和含水率采用称重法测定，COD采用重铬酸钾法测定，其中溶解性化学需氧量(SCOD)的测定方法：先通过转速为10 000 r/min的离心机离心10 min，再用0.45 μm的滤纸过滤，然后取污泥上清液，用重铬酸钾法测定样品。上述指标均按照《水和废水分析检测方法》(第4版)[18]进行测定。沼气产量由排水集气系统计量；沼气成分采用GC7900型气相色谱仪测定。

2 结果与讨论

2.1 单独超声预处理试验

超声预处理产生的强大的空化作用，以及大量微气泡的瞬间爆破力，能够破坏胞外聚合酶和细胞壁结构，使青霉素菌渣固相COD向液相中转化，通过液相中COD的变化衡量超声预处理效果，本研究旨在重点考察超声预处理对菌渣COD溶出率的影响。COD溶出率表示预处理时青霉素菌渣中有机物从固相向液相的转化程度，COD溶出率=(SCOD后-SCOD前)/TCOD×100%[19-20]。不同声能密度下的超声预处理对青霉素菌渣(含水率96%)预处理过程中COD溶出率的影响如图2所示。

由图2可知，在不同声能密度下，COD溶出率均随时间增加不断升高，当超声时间超过30 min时，COD溶出率升高缓慢。在相同处理时间下，声能密度在0.5～2.0 W/mL范围内，随声能密度的增加COD溶出率升高，最高可达40.69%；当声能密度达到2.5 W/mL时，COD溶出率下降到34.44%。可能是因为在一定声能密度范围内，声能密度增加，超声预处理产生的机械剪切力越强，对菌渣细胞壁的破坏作用越明显，有利于COD向液相溶出。综合考虑，确定菌渣含水率为96%时，最优声能密度为2.0 W/mL，超声时间为30 min，该条件下COD溶出率为40.69%。

2.2 菌渣超声/碱预处理试验

青霉素菌渣超声/碱预处理试验结果见图3。

由图3可知，1#对照组(原样pH值、未超声处理、含水率为96%、反应时间为5 min)的COD溶出率最低，为24.78%；12#试验组(pH值为10，声能密度为2.0 W/mL，含水率为97%，反应时间为5 min)的COD溶出率最高，能达到84.69%，是单独超声预处理(菌渣含水率为96%，声能密度为2.0 W/mL，反应时间为30 min)的COD溶出率40.69%的2.08倍。其主要原因是通过超声与碱的协同作用，强化了菌渣中菌丝体的破壁效果，使胞内有机物能快速释放到液相中，使菌渣COD溶出率提高，为提高菌渣厌氧处理效率奠定了基础。

图2 不同声能密度下COD溶出率随时间的变化Fig.2 Variation of the COD dissolution rate at different ultrasonic pretreatment time and sound energy density

图3 菌渣超声/碱预处理后COD溶出率Fig.3 COD dissolution rate under different ultrasonic/alkaline pretreatment conditions

2.3 超声/碱预处理后菌渣BMP试验

取超声/碱预处理后的菌渣开展BMP试验研究，考察不同超声/碱预处理条件下的青霉素菌渣厌氧消化沼气产率，见图4。

图4 超声/碱预处理后菌渣沼气产率Fig.4 Biogas yield under different ultrasonic/alkali pretreatment conditions

由图4可知，经过超声/碱预处理的累计产气量明显高于未处理对照组的产气量，且产气速率较快。其中6#试验组(pH值为9，声能密度为0.5 W/mL，含水率为96%，反应时间为30 min)的沼气产率高达481.2 mL/g，相较于1#对照组，沼气产率提高了68.18%。CLARK等[21]研究表明污泥超声预处理后厌氧消化沼气产量可以提高61%，ONYECHE等[22]将经超声预处理后的污泥进行厌氧消化可使产气量提高23%；同时本试验采用超声/碱预处理后菌渣沼气产率高于董永博[23]对未预处理青霉素菌渣厌氧消化的沼气产率337.33 mL/g。这说明超声预处理对于污泥和抗生素菌渣具有较好的破胞效果，可以加速胞内有机物释放，有利于提高厌氧消化产气率。

由于沼气中有效成分为甲烷，本试验以甲烷产率为指标对超声/碱预处理正交试验结果进行统计分析，结果见表4。

表4 正交试验结果

由表4可知，超声/碱预处理对青霉素菌渣厌氧消化甲烷产率的影响程度差异不大，其影响因素依次为含水率>声能密度>反应时间>pH值。由于超声波作用需要较高的含水率(一般含水率在95%以上)，才能够在液体表面产生大量的空化气泡和较大的剪切力，进而破坏细胞壁，使内含物溶出，因此含水率的影响程度较其他因素大。依据甲烷产率确定本试验的最佳条件：pH值为9，声能密度为0.5 W/mL，含水率为96%，反应时间为30 min，其甲烷产率最高可达335 mL/g，是未处理菌渣甲烷产率152 mL/g的2.2倍。

3 结 论

1)青霉素菌渣超声/碱联合预处理试验表明，最佳预处理条件：pH值为10，声能密度为2.0 W/mL，含水率为97%，反应时间为5 min，COD溶出率最高可达84.69%，是单独超声预处理(菌渣含水率为96%，声能密度为2.0 W/mL，反应时间为30 min)COD溶出率40.69%的2.08倍。

2)经过超声/碱联合预处理后的菌渣的BMP试验表明，预处理中各因素对甲烷产率的影响程度大小为含水率>声能密度>反应时间>pH值，按照甲烷产率确定最佳预处理条件：pH值为9、声能密度为0.5 W/mL、含水率为96%、反应时间为30 min，其甲烷产率最高可达335 mL/g，是未处理菌渣甲烷产率152 mL/g的2.2倍。

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Effect study of ultrasonic/alkaline pretreatment on anaerobic digestion of penicillin bacterial residue

LI Zaixing1,2, GAO Yan1,2, ZHONG Weizhang1,2, LI Guixia1,2, LIU Chun1,2,GUO Jiayun3, WANG Yongjun4, YANG Yonghui4

(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. Hengshui No.1 High School, Hengshui, Hebei 053000, China; 4. Environmental Protection Institute, NCPC, Shijiazhuang, Hebei 050015, China)

In order to improve the efficiency of anaerobic digestion for biogas production and achieve the resource recovery and decrement of antibiotic bacterial residue, ultrasonic/alkaline pretreatment is used to treat penicillin bacterial residues (PBR), the influence of pH value, ultrasonic sound energy density, moisture content and reaction time on pretreatment effect are investigated, and the biodegradability of PBR is evaluated by biochemical methane potential (BMP) test. The orthogonal experiment result shows that ultrasonic/alkaline pretreatment can enhance the residue cell wall broken effect, and promote intracellular organic matter dissolution. The optimum pretreatment conditions are pH of 10, ultrasonic sound energy density of 2.0 W/mL, moisture content of 97%, and pretreatment time of 5 min. In this case, the highest COD dissolution rate can reach 84.69%, which is 2.08 times higher than that by the ultrasonic pretreatment only. The BMP test results show that the impact of the pretreatment factors is as follows: moisture content > ultrasonic sound energy density > reaction time > pH value. The optimum pretreatment conditions according to methane productivity are pH of 9, ultrasonic sound energy density of 0.5 W/mL, moisture content of 96%, and reaction time of 30 min. In this case, the methane yield rate can reached 335 mL/g, which is 2.2 times higher than that from the untreated bacteria residue.

wastes disposal and comprehensive utilization; penicillin bacterial residue; ultrasonic/alkaline pretreatment; anaerobic digestion; biochemical methane potential

1008-1542(2016)03-0302-07

10.7535/hbkd.2016yx03014

2015-03-08；

2015-05-11；责任编辑：王海云

国家自然科学基金(51478160)；河北省重大技术创新项目(12276703Z)

李再兴(1973—)，男，四川安岳人，教授，博士，主要从事水污染防治及污水资源化技术方面的研究。

E-mail:li_zaixing@163.com

X703

A

李再兴，高 妍，钟为章，等.超声/碱预处理对青霉素菌渣厌氧消化的影响研究[J].河北科技大学学报,2016,37(3):302-308.

LI Zaixing, GAO Yan, ZHONG Weizhang, et al.Effect study of ultrasonic/alkaline pretreatment on anaerobic digestion of penicillin bacterial residue[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2016,37(3):302-308.