竹炭对抗生素制药厂水处理污泥中青霉素降解的作用机制研究

刘浩然，周 俊，郑子荷，古祺鹏，李 豪，张 园

(苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州 215009)

1 引言

制药污泥成分复杂、含有大量水分以及难降解的有机物，如今制药污泥已被列入《国家危险废物名录》。一般的污泥处理方法有直接填埋、海洋倾倒等，这些处理方法不仅存在能源浪费的问题，而且如果处置不当可能会对生态环境造成二次污染同时危及人类健康[1]。

青霉素是日常生活中不可缺少的药品，而制药污泥中含有的青霉素有90%无法被人体或动物吸收，最终以原药的形式排放到环境中。青霉素具有水溶性，可以较为方便的借助各种环境介质在土壤和水体之中扩散，最终导致面源污染并对土壤和地下水造成威胁[2]。青霉素降解的方式有很多种，生物降解是最常见的降解方式[3]，本实验采用的高温好氧堆肥为青霉素的降解提供了合适的条件，这是对制药污泥的最佳处理手段之一，可以使处理之后的污泥土质疏松、臭味消除以及有害物质含量大幅度下降。经过堆肥之后的污泥还可以作为肥料，提高农作物品质[4]。

竹炭是竹材料热解之后产生的多孔性物质，具有较强的吸附性，比表面积可达300 m2/g以上，是一种新型吸附材料[5]，对各种污染物质具有较强的吸附能力和促进降解能力[6]。

2 实验材料和仪器

2.1 实验材料

3000 g取自苏州二叶制药厂并经过风干处理的活性污泥、3种不同类型的碳源(玉米秸秆、蔗糖、葡萄糖)各300 g、充足数量的竹炭粉末(颗粒度：0.074 mm)、200 g木屑(用于调节通风)、甲醇、乙腈、二氯甲烷、盐酸、Na2EDTA- McIlvaine缓冲液(需配置，包括Na2EDTA水溶液、柠檬酸固体、NaH2PO4·2H2O固体)。

2.2 实验仪器

恒温水浴锅、大体积锥形瓶、BS224S型电子天平、鼓风机、尾气吸收装置(包括酸洗瓶和碱洗瓶)、PHS-3E型pH计、WGL-230B型电热鼓风干燥箱、马弗炉、抽滤机、TOC测定仪、震荡仪、TGL-16M离心机、SB25-12DTDN超声波清洗机、SAX-HLB串联萃取小柱、氮吹仪。具体实验装置如图1所示。

图1 实验装置

3 实验方法

3.1 实验组与对照组的确定

为体现竹炭对青霉素降解的促进作用，本实验设置一个实验组(编号为CK1T)，该组添加竹炭和木屑，木屑用于通风。依据向秋杰等的先期研究[7]，设置一个对照组(编号为CK2T)，除木屑之外不投加任何物质。

为体现竹炭在添加不同碳源情况下都可以起到对抗生素的降解作用，本实验设三个实验组，分别投加等量的玉米秸秆(多糖)、蔗糖(二糖)和葡萄糖(单糖)，编号分别为T-1、T-2、T-3，实验组中均投加木屑促进通风。设置两个对照组，第一个对照组(编号为CK1T)中除竹炭和木屑外不投加任何其余碳源；第二个对照组(编号为CK2T)除木屑之外不投加任何物质，以作为空白对照组。

高温好氧堆肥过程对温度有一定的要求，堆肥期间应连续10 d维持温度在55 ℃以上。

该堆肥过程持续60 d，在温室中进行。采用水浴加热的方式控制堆肥温度。每日9：00和17:00测量温度，确保温度满足实验要求[7]。采取持续鼓风机供气通风+每日人工翻堆的方式确保通风[6]。分别在第1、3、5、7、15、30、60 d取样。每次取样50 g。

3.2 样品基本量和青霉素含量的测定

根据张强等的研究[8],在实验中选取以下基本理化性质指标对样品进行测定，并测定堆肥各阶段青霉素的含量和用堆肥后污泥培养的绿豆种子发芽率及根长。

3.2.1 pH值

称取样品5 g置于25 mL烧杯中，加蒸馏水15 mL,静置30 min后，用pH计测其pH值。

3.2.2 含水率ω

在高温好氧堆肥过程中，堆肥的含水率需要控制在60%左右(65%最佳)此时堆肥中的微生物可以较好地繁殖，并完成对堆肥中有机物的消耗和抗生素的降解。

精确称取2 g样品放入坩埚之中，使用WGL-230B型电热鼓风干燥箱在105 ℃下烘烤8 h后取出称重。根据含水率的不同计算堆肥过程中的加水量，从而调节含水率在60%[9]。

3.2.3 有机质含量

将测完含水率的样品放入马弗炉中灼烧8 h，取出样品准确称量，计算得出有机质的变化情况。

3.2.4 测量DOC(可溶性有机碳)含量

精确称取样品置于离心管中，并加入蒸馏水，放入震荡仪震荡后使用TGL-16M离心机高速离心，对上层清液进行抽滤，获取不少于的液体后，测量其DOC含量[10]。

3.2.5 绿豆种子发芽率及根长的测定

选取普通绿豆种子，分为五组，每组对应3个实验组和2个对照组。每组的种子中有1/2种子作为对照。将不同组别种子对应放于DOC测定所需提取液中，对照种子置于等量蒸馏水中，恒温培养并测量其发芽率及其根长，进而判断堆肥后产物是否适合种子的发芽并是否对发芽存在促进作用[11]。

3.2.6 抗生素含量的测定

依照范维等[12]的测量方法，配置缓冲液和提取液并活化SAX-HLB串联柱子后使用LC-MS/MS(液相色谱-串联质谱)法测定每一次取样样品中青霉素的含量。

4 实验结果分析

4.1 基本理化指标

4.1.1 pH值

由图2分析得出，在堆肥初始阶段，T-1,T-2，T-3和CK1T,CK2T的pH值在4～8之间波动，随着时间的推移，该数值逐渐趋于稳定，其值在6～7左右，即呈现为弱酸性或中性。

图2 pH值数据变化

由图2并根据王月香等的研究[13]，在堆肥前期，土壤中微生物活动较为频繁，有酸性或者碱性物质产生；反应后期，随着土壤中抗生素的降解和其余有机物质的消耗，微生物活性减弱，生化反应减缓。各个组的pH值变化幅度相似，说明pH值的变化只能表征堆肥过程各阶段的演变。

4.1.2 有机质含量

由图3中分析得出，T-1,T-2，T-3和CK1T的有机质含量从70%～90%下降到30%～45%，并最终在30d以后逐渐趋于平稳；而对照组CK2T由于本身未投加任何碳源，因此其有机质含量较少，在整个实验过程期间维持在30%左右。

图3 有机质含量变化

在堆肥前期，土壤中微生物活动频繁，大量有机物被降解和吸收，所以有机质含量的下降速率较快，而反应后期，微生物活动减弱，由于土壤中可能含有微生物尸体和植物残留，所以不同组的土壤中有机质含量不同，但变化趋势最终都趋于稳定[14]。

4.1.3 DOC含量

由图4中分析得出，T-2和T-3的DOC含量从120 g/kg下降到30 g/kg，而其余组变化趋势较小，并最终在30 d以后逐渐趋于平稳。

图4 DOC含量变化

可溶性有机碳(DOC)会和土壤中的有机质形成动态平衡。DOC含量变化和有机质含量变化趋势相同，可以相互证明并最终表征土壤中有机质的变化。由于土壤初始时所含有的有机物不同，所以各组的DOC初始含量不同，并最终趋于平衡[15]。

4.2 绿豆种子根长

由图5分析可知，各组培养的绿豆种子发芽率分别为：T-1(95%)，T-2(90%)，T-3(100%)，CK1T(90%)和CK2T(100%)，而只加入清水的控制对照组(Control Group)为90%，所有组的种子发芽率都大于或等于控制对照组。

图5 绿豆种子根长统计

各组绿豆种子根长大于1 cm的比例分别为：T-1(90%)，T-2(70%)，T-3(75%)，CK1T(65%)和CK2T(50%)，而只加入清水的控制对照组(Control Group)为55%，除CK2T外所有组的种子根长大于1 cm的比例都大于控制对照组。

绿豆种子的发芽率和根长可以表征添加竹炭和不同碳源的污泥经高温好氧堆肥处理后对绿豆种子生长的安全性和营养效果[16,17]。

4.3 抗生素降解的测定

由图6的分析可得，在30 d左右，T-1，T-2和T-3的青霉素含量已经下降到0.561、0和0.313 μg/kg，趋近于无或已经完全降解。而CK1T和CK2T相对应的青霉素含量为2.596和3.331 μg/kg，即依然存在一定数量的青霉素,并且到45d后，CK2T依然有0.03 μg/kg的青霉素存在。

图6 青霉素含量

根据沈怡雯等的研究[18]，堆肥中抗生素的降解和微生物的活动有关。本研究做出的青霉素含量图和DOC含量图以及有机质含量图中曲线变化趋势相似，可以证明青霉素先随微生物的频繁活动而快速降解，10 d后，微生物活动减弱，青霉素降解速度随之减慢，30 d内基本降解，60 d内全部降解。

在30 d内，污泥中的青霉素降解速率(99.20%)比不添加任何物质的污泥中青霉素降解速率(98.97%)更高。若碳源为蔗糖，高温好氧堆肥处理30 d后制药厂污泥中青霉素的降解速率(100%)会优于不添加碳源时的降解速率(99.2%)、碳源为葡萄糖时的降解速率(99.8%)和碳源为玉米秸秆时的降解速率(99.9%)。

5 实验结论

(1)竹炭对制药厂污泥中青霉素的降解有促进作用。对加入竹炭和不加入竹炭的高温好氧堆肥中青霉素含量进行测定后发现，加入竹炭的污泥经过高温好氧堆肥处理30 d后，污泥中的青霉素降解速率(99.20%)比不添加任何物质的污泥中青霉素降解速率(98.97%)更高，并且在开始堆肥的45 d后，前者中青霉素已经完全降解，但是后者仍然存在0.03 μg/kg青霉素。

(2)加入竹炭并经过高温好氧堆肥处理后的制药厂污泥对绿豆种子的发芽并无影响，且对种子的生长具有促进作用。当以单糖作为碳源时，污泥培养后绿豆种子发芽并且根长大于1 cm的比例(90%)大于以多糖作为碳源(75%)、以二糖作为碳源(70%)和只加入竹炭(65%)时，且都大于加入清水培养(55%)和不添加竹炭(50%)时。

(3)当碳源为二糖时，投加竹炭后制药厂污泥中的青霉素降解效果会好于碳源为多糖、碳源为单糖或不添加任何碳源时。对加入不同碳源后的高温好氧堆肥中青霉素的含量进行测定后发现，若碳源为二糖，高温好氧堆肥处理30 d后制药厂污泥中青霉素的降解速率(100%)会优于碳源为多糖时的降解速率(99.9%)和碳源为单糖时的降解速率(99.8%)以及不添加碳源时的降解速率(99.2%)。