超声空化效应降解抗生素废水

史雅慧 张继超 刘媛媛

【摘 要】综述抗生素废水的特点，分析超声空化降解效应的影响因素，介绍了超声空化效应对各种有机污染物的降解的研究现状，并对目前超声空化效应对于抗生素废水的降解研究存在的问题进行探讨。

【关键词】超声空化效应；抗生素废水；废水处理

1.引言

抗生素是用来治疗人类和其他动物细菌感染的一类药物，自1928年，弗莱明爵士发现了由青霉菌产生的青霉素以来，已有百余种抗生素被相继被开发使用，有效地保障了地球上各种生物生命的健康。

然而有些医药行业的人员为牟取暴利、医疗技术缺乏、药品管理监管混乱等原因，抗生素用量过大，品种选用不合理，现象越来越严重。目前，抗生素对人类和生态环境的负面作用也逐渐开始显现，并且其结构的稳定性和复杂性以及生物毒性大的特点很难在环境中被微生物降解[1]。超声空化效应降解技术是一种清洁、无二次污染的技术，近20年来国内外许多学者研究了超声空化对农药、染料等有机废水的研究，处理效果较好，但是对于抗生素废水的降解研究报道还比较少。

2.影响超声降解的主要因素

影响超声空化效应的因素很多，比如液体的温度、pH值、超声功率等都能影响超声空化效应的反应过程[2]，这些因素对于超声过程中的成核、空化泡震动、生长及崩溃都有明显影响，进而影响有机物的降解效果。

2.1 液体的温度

温度升高，会导致液体的饱和蒸汽压升高，空化效应减弱。尽管提高温度有利于化学反应速度加快，但是超声降解是基于空化效应产生的·OH等自由基和高温热解等机理[3]。多个实验研究表明，超声空化在低温下进行的较好，并且在室温下就非常好[4]。王宏青[5]在超声降解甲胺磷时发现温度控制在20～50℃之间对反应速率影响不大。这是由于高温下液体内的反应加速，但是超声空化效应减弱；而在低温下反应速度不如高温时剧烈，但是空化效应却比高温条件下要强。

2.2 液体的pH值

pH值可以改变物质的物理化学性质，影响溶液中有机物的存在状态，一定程度上影响超声波降解有机物的效率。邢铁玲[6]等通过对甲基橙废水的超声降解说明了pH值对于降解效果的影响。利用超声波对未进行pH值（接近于中性）调节及用硫酸调节pH值为2.8的甲基橙溶液处理90分钟后，发现酸性条件下的脱色率明显高于中性条件下的脱色效率。这是由于甲基橙的分子结构和颜色均随pH的变化而发生变化，在酸性条件下甲基橙为醌式，以分子状态存在；而在pH为6.5时甲基橙以偶氮式结构，以离子态存在。

2.3 声功率

有机物的降解速率一般是随着声功率强度的增强而增大，能量输入的增加能使产生的空化泡的数量增加，并且空化泡爆破的更加激烈，降解率因此得到提高。许文林等[7]研究发现，在温度为35℃时，初始浓度为0.1mol/L的KI水溶液中碘的生成速率与输入功率之间呈线性增长的关系。不过功率过高反而会适得其反，这是由于空化泡的数量多到一定程度后，就会存在“过量”问题。过多的气泡会在声波的负相长的很大而造成“气屏”效应，并且气泡之间容易合并形成较大的气泡，溃陷的剧烈程度降低，影响降解效果。

3.超声空化效应对有机物的降解

3.1有机染料的降解

染料废水排量大，色度高，COD大，BOD低，成分复杂，毒性高，属于难降解的工业废水。近20年来，国内外的许多学者研究了超声空化降解染料废水的降解情况，取得了不错的处理效果。李成[8]对三苯甲烷类染料罗丹明B进行了实验研究，探讨了超声波功率、声强、pH等的影响。在50kHz的频率，低pH以及TiO2等光催化剂存在的条件下，2.5mg/L的罗丹明B溶液的降解率达到88.37%。在紫外光照射下，加入S2O82-可有效加速降解速率。

3.2农药的降解

农药废水目前也是很难进行传统的生物处理的一种废水，主要包括对3-氯苯胺、氯苯胺灵、对硫磷、甲胺磷等农药的降解。

王君等[9]采用高温活化处理过的金红石型TiO2为催化剂，研究了在超声波辐射下各种因素对甲基对硫磷的超声降解反应的影响。结果表明：在金红石型TiO2作为催化剂时，甲基对硫磷的超声降解效果明显优于单纯使用超声波辐射降解。在超声波频率为40kHz，催化剂用量1000 mg/L，温度为20℃，输出功率50W， pH=5.00， 60 min超声波辐射后，降解率可达到95%以上。

3.3 酚类的降解

含酚废水是当今世界上危害大、污染范围广的工业废水之一。在许多工业领域诸如煤气、焦化、炼油、冶金、机械制造、玻璃、油漆等工业排出的废水中均含有酚类物质。

Yoshio Nagata[10]在有空气和氩气的条件下对于2-、3-和4-氯酚进行超声空化降解。结果发现，在空气速率4.5-6.6mMmin-1和氩气的速率为6.0-7.2 mMmin-1时，100mM的氯酚在降解初期的降解速率符合一级反应动力学。氯酚的超声空化降解反应能够有效的被自由基捕获剂t-BuOH阻止，但是反应不能够完全停止，这表明氯酚的超声降解主要通过·OH自由基反应，热分解也能够发生，但是对于降解反应所起的作用比较小

4.超声空化效应对抗生素废水的降解探讨

抗生素的化学性质一般比较稳定，并且对常见的微生物具有抑制作用，利用传统的生物法对抗生素废水的降解效果不理想。通过以上的综述，可以得出，超声波对于结构稳定，对微生物具有抑制性的物质的降解效果占据明显优势。对于超声波对抗生素废水的降解提出以下观点以下观点以供尝试：

将超声空化效应与其他技术进行联合，比如TiO2、O3、零价铁等以加强抗生素废水的COD去处效率，提高处理效果。

参考文献：

[1] HartmannA ， Alder A C ， Koller T ， et al . Identification of fluoroquinolone antibiotics as the main source of human genotoxicity in native hospital wastewater. Environmental Toxicology and Chemistry，1998，17：377～382.

[2] 李争彩，林书玉.超声空化影响因素的数值模拟研究[J].陕西师范大学学报，2008，36（1）：38-42.

[3] 马军，赵雷.超声波降解水中有机物的影响因素[J].黑龙江大学自然科学学报，2005，22（2）：141-149.

[4] 尚岩，尚琳，彭亚男，等.超声降解有机废水影响因素的探讨[J].哈尔滨商业大学学报，2003，19（3）：277-281.

[5] 王宏青，钟爱国，李珊，等.超声波诱导降解甲胺磷的研究[J].环境化学，2000，19（1）：84-86.

[6] 邢铁玲，K. H. Chu，陈国强.超声降解甲基橙的研究[J].中国给水排水，2006，22（13）：102-104.

[7] 许文林，何玉芳，王雅琼.超声作用下碘化钾溶液生成碘速率的影响因素研究[J].高校化学工程学报，2006，20（3）：472-475.

[8] 李成.超声波降解罗丹明B的研究[J].辽宁化工，2008，37（7）：478-480.

[9] 王君，张立群，刘彬，等.金红石型TiO2催化超声降解甲基对硫磷农药的研究[J].哈尔滨工业大学学报，2009，41（3）：172-174.

[10] Yoshio Nagata， Michiyo Nakagawa， Hiroshi Okuno， et al. Sonochemical degradation of chlorophenols in water. Ultrasonics Sonochemistry，2000，7（3）：115-120.

基金项目：

山东协和学院校级科研项目（XHXY201531）。