Fenton法對(duì)沼液中三種四環(huán)素類(lèi)和三種磺胺類(lèi)抗生素氧化去除的研究

遲 翔，周文兵*，武 林，吳 飛，肖乃東，朱端衛(wèi)

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院生態(tài)與環(huán)境工程研究室，武漢430070；2.生豬健康養(yǎng)殖（湖北?。﹨f(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430070）

近年來(lái)，我國(guó)年產(chǎn)各類(lèi)抗生素21萬(wàn)t，居世界首位，其中46.1%用于畜禽養(yǎng)殖。進(jìn)入畜禽體內(nèi)的抗生素約有60%～90%以母體和代謝物的形式排出體外，且部分代謝物在環(huán)境中又可轉(zhuǎn)化為活性母體，被認(rèn)為是生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)極高的新型污染物，成為近年來(lái)公眾關(guān)注的焦點(diǎn)和國(guó)內(nèi)外科學(xué)研究的熱點(diǎn)[1]。同時(shí)，畜禽排出的代謝物應(yīng)用于沼氣工程的厭氧發(fā)酵中，沼渣沼液作為“優(yōu)質(zhì)高效的無(wú)公害有機(jī)肥料”也已應(yīng)用于多種作物的生產(chǎn)中，但沼渣沼液的處理還存在著許多問(wèn)題，如沼液被直接灌溉，其中的抗生素可在植物體內(nèi)富集，同時(shí)由于食物鏈傳遞，也會(huì)對(duì)生物及人體產(chǎn)生危害?？股貙?duì)人體的傷害表現(xiàn)為毒性損傷、過(guò)敏反應(yīng)以及“三致”作用等[2-4]。據(jù)報(bào)道，沼液中抗生素含量較高的有四環(huán)素類(lèi)和磺胺類(lèi)抗生素，其含量可達(dá)幾十到幾百微克每升[5-7]。目前，處理工業(yè)廢水中抗生素的主要方法有：生物法、膜分離法、吸附法。其中生物法很難有效地去除微量物質(zhì)，膜分離法在沼液這類(lèi)有較大雜質(zhì)的非均相體系中應(yīng)用時(shí)極易被堵塞，吸附法又很難找到較為廉價(jià)且對(duì)水質(zhì)選擇性小的吸附劑[8-9]。為了滿足工藝上的切實(shí)要求，尋找能快速、高效地去除沼液中抗生素，同時(shí)又保證沼液中的養(yǎng)分（TN、TP、TK）能夠基本保留的方法已迫在眉睫。

Fenton法作為高級(jí)氧化技術(shù)的代表，有著較強(qiáng)的氧化能力。近年來(lái)，因其對(duì)水質(zhì)的選擇性小，且反應(yīng)速率高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水中苯酚、硝基酚等有機(jī)物的去除[10-11]，但用其直接處理沼液中的抗生素還鮮有報(bào)道[12]。本文將通過(guò)Fenton去除沼液中三種四環(huán)素類(lèi)和三種磺胺類(lèi)抗生素的單因素實(shí)驗(yàn)，確定最優(yōu)的去除條件，并通過(guò)最優(yōu)Fenton作用條件下各抗生素的去除率和主要養(yǎng)分氮、磷、鉀的保留率來(lái)評(píng)判Fen?ton法去除沼液中抗生素的可行性。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

裝置包括SC-3610低速離心機(jī)（安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司）、SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵（武漢亨泰達(dá)儀器設(shè)備有限公司）、FE28 pH計(jì)（梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司）、Cleanert PEP-2固相萃取柱（Bonna-Agela Technologies）、HX-NC12金屬浴氮吹儀（武漢恒信世紀(jì)科技有限公司）、Agilent1260高效液相色譜儀（美國(guó)，安捷倫公司）、高效液相色譜柱Shim-Pack，VP-ODS（250 mm×4.6 mm，5 μm，日本，島津公司）。

試劑包括：甲醇、乙腈、甲酸均為色譜純；30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）H2O2、H2SO4、HCl、NaOH均為分析純；四環(huán)素（TC）純度≥95%、土霉素（OTC）純度≥98%、金霉素（CTC）純度≥90%、磺胺甲惡唑（SMZ）純度≥98%、磺胺甲基嘧啶（SMR）純度≥98%、磺胺嘧啶（SDZ）純度≥98%的標(biāo)準(zhǔn)樣品（均購(gòu)于上海源葉生物科技有限公司）。沼液采自湖北金林原種畜牧有限公司，帶回實(shí)驗(yàn)室后避光保存其理化性質(zhì)見(jiàn)表1。為突出實(shí)驗(yàn)效果，向沼液中添加了一定含量的抗生素作為實(shí)驗(yàn)樣品。

表1 沼液主要理化性質(zhì)Table1 The main physicochemical properties of biogas slurry

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 沼液前處理方法

取40 mL沼液于錐形瓶中，向其中添加一定含量的抗生素，用稀H2SO4、NaOH溶液調(diào)節(jié)pH后，加入FeSO4溶液5 mL和30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）H2O2溶液5 mL，2 h后取出5 mL用來(lái)檢測(cè)TN、TP、TK。再對(duì)樣品進(jìn)行5000 r·min-1離心，然后通過(guò)0.45 μm的水系濾膜，加入0.2 g乙二胺四乙酸二鈉以抑制重金屬的螯合，用H2SO4調(diào)節(jié)樣品pH在4左右，濾液以1 mL·min-1的速率通過(guò)Cleanert PEP固相萃取柱進(jìn)行富集，固相萃取柱使用前依次用3×2 mL甲醇、3×2 mL超純水、3×2 mL HCl（pH=4）進(jìn)行預(yù)處理，萃取富集后，用6 mL超純水清洗固相萃取柱，并真空干燥30 min，最后用3×2 mL甲醇緩慢洗脫到10 mL離心管中，將收集的洗脫液用氮?dú)獯蹈?，再? mL甲醇復(fù)溶。以上溶液均過(guò)0.22 μm水系濾膜后放入2 mL的棕色玻璃瓶待測(cè)。

1.2.2 各因素對(duì)抗生素去除特性影響實(shí)驗(yàn)

基準(zhǔn)條件：pH為4.0、H2O2濃度為0.4 mol·L-1、摩爾比 n（H2O2）/n（Fe2+）=5∶1。

在探究pH最優(yōu)條件時(shí)，保證H2O2濃度和n（H2O2）/n（Fe2+）為基準(zhǔn)條件，pH分別設(shè)置為2、3、4、5、6，從而確定最優(yōu)pH值；在探究H2O2濃度最優(yōu)條件時(shí)，保證pH和n（H2O2）/n（Fe2+）為基準(zhǔn)條件，H2O2濃度分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mol·L-1，從而確定最優(yōu) H2O2濃度；在探究 n（H2O2）/n（Fe2+）最優(yōu)條件時(shí)，保證pH和H2O2為基準(zhǔn)條件，設(shè)置 n（H2O2）/n（Fe2+）分別為 3∶1、5∶1、10∶1、15∶1、20∶1，從而確定最優(yōu)n（H2O2）/n（Fe2+）。

1.3 測(cè)試分析方法

抗生素采用高效液相色譜-紫外檢測(cè)器檢測(cè)，測(cè)定條件：色譜柱柱溫25℃，流動(dòng)相為0.1%甲酸-乙腈（81∶19，V/V）等度洗脫，流速1.0 mL·min-1；進(jìn)樣量20 μL；紫外檢測(cè)器檢測(cè)波長(zhǎng)270 nm[5]。TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB/T 1894—1989），TP采用鉬酸銨分光光度法（GB/T 11893—1989），TK采用H2O2-HNO3消解火焰分光光度法。

表2 六種目標(biāo)物質(zhì)對(duì)應(yīng)線性方程及出峰時(shí)間Table2 The linear equations and peak time of the six target substances

2 結(jié)果與討論

2.1 抗生素標(biāo)準(zhǔn)溶液的測(cè)定

配制六種抗生素的混標(biāo)溶液，根據(jù)抗生素的測(cè)定方法，對(duì)六種抗生素進(jìn)行了檢測(cè)。由表2可知，六種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)相關(guān)系數(shù)良好。由圖1可知，六種物質(zhì)色譜峰完全分離。

圖1 三種四環(huán)素和三種磺胺類(lèi)抗生素的5 mg·L-1標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)色譜圖Figure1 Standard substance chromatogram of three kinds of tetracycline and three kinds of sulfa antibiotics with concentration of 5 mg·L-1

圖2 不同pH下沼液經(jīng)Fenton氧化后磺胺類(lèi)抗生素濃度及去除率Figure2 The concentration and removal rates of sulfa antibiotics in biogas slurry after Fenton oxidation with different pH

圖3 不同pH下沼液經(jīng)Fenton氧化后四環(huán)素類(lèi)抗生素濃度及去除率Figure3 The concentration and removal rates of tetracycline antibiotics in biogas slurry after Fenton oxidation with different pH

2.2 抗生素去除條件篩選

2.2.1 初始pH對(duì)去除效果的影響

圖2和圖3分別為在H2O2濃度為0.4 mol·L-1，n（H2O2）/n（Fe2+）=5∶1，pH為2、3、4、5、6條件下沼液水樣中磺胺類(lèi)抗生素和四環(huán)素類(lèi)抗生素去除前后的濃度及去除率。由圖可知，沼液樣品中初始pH對(duì)抗生素去除率影響較大，pH為4時(shí)，抗生素去除率最大。pH降低過(guò)程中，目標(biāo)物質(zhì)的去除率呈先上升后下降的趨勢(shì)。因?yàn)殍F鹽在弱酸性條件下最大限度水解，最有利于催化羥基自由基的產(chǎn)生，方程式為：

弱酸環(huán)境可以促進(jìn)反應(yīng)向右進(jìn)行，增加羥基自由基的產(chǎn)量。過(guò)低的pH值環(huán)境會(huì)抑制羥基自由基的產(chǎn)生，過(guò)高的pH值也會(huì)抑制羥基自由基的產(chǎn)生，并且使三價(jià)鐵離子沉淀，而失去催化氧化能力，如下式：

2.2.2 H2O2投加量對(duì)抗生素去除率的影響

圖4和圖5分別為在pH為4.0，n（H2O2）/n（Fe2+）=5∶1，H2O2投加量分別為 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mol·L-1條件下沼液水樣中磺胺類(lèi)抗生素和四環(huán)素類(lèi)抗生素去除前后的濃度及去除率。從圖中可以看出，H2O2濃度為0.4 mol·L-1時(shí)，抗生素去除率最大。

由圖4和圖5可知，隨著H2O2濃度不斷升高，各類(lèi)抗生素去除率均呈現(xiàn)先升高后平緩的趨勢(shì)，并在0.5 mol·L-1時(shí)出現(xiàn)了下降，這是因?yàn)?Fe2+催化 H2O2產(chǎn)生·OH，隨著H2O2濃度的增加，·OH也增加，即：

而當(dāng)H2O2過(guò)量時(shí)，H2O2會(huì)在反應(yīng)初期與·OH反應(yīng)生成氧化能力較弱的·HO2，·HO2進(jìn)一步與·OH反應(yīng)釋放氧氣，即：

這一過(guò)程不利于反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，從而降低了對(duì)抗生素的去除。

2.2.3 n（H2O2）/n（Fe2+）對(duì)抗生素去除率的影響

圖4 不同H2O2投加量下沼液經(jīng)Fenton氧化后磺胺類(lèi)抗生素濃度及去除率Figure4 The concentration and removal rates of sulfa antibiotics in biogas slurry after Fenton oxidation with different H2O2input

圖5 不同H2O2投加量下沼液經(jīng)Fenton氧化后四環(huán)素類(lèi)抗生素濃度及去除率Figure5 The concentration and removal rates of tetracycline antibiotics in biogas slurry after Fenton oxidation with different H2O2input

圖6 不同n（H2O2）/n（Fe2+）下沼液經(jīng)Fenton氧化后磺胺類(lèi)抗生素濃度及去除率Figure6 The concentration and removal of sulfa antibiotics in biogas slurry after Fenton oxidation with different n（H2O2）/n（Fe2+）

圖7 不同n（H2O2）/n（Fe2+）下沼液經(jīng)Fenton氧化后四環(huán)素類(lèi)抗生素的濃度及去除率Figure7 The concentration and removal of tetracycline antibiotics in biogas slurry after Fenton oxidation with different n（H2O2）/n（Fe2+）

圖6 和圖7分別為在pH為4.0，H2O2濃度為0.4 mol·L-1，n（H2O2）/n（Fe2+）為 3∶1、5∶1、10∶1、15∶1、20∶1的條件下實(shí)驗(yàn)樣品中磺胺類(lèi)抗生素和四環(huán)素類(lèi)抗生素去除前后的濃度及去除率。從圖中可以看出，n（H2O2）/n（Fe2+）為10∶1時(shí)，抗生素去除率最大。

由圖6和圖 7可知，當(dāng) n（H2O2）/n（Fe2+）過(guò)小時(shí)，F(xiàn)e2+剩余過(guò)多，缺少反應(yīng)所需的H2O2。多余的Fe2+會(huì)與H2O2或·OH發(fā)生氧化還原反應(yīng)，消耗體系內(nèi)產(chǎn)生的·OH，同時(shí)，因大量Fe2+的催化，生成的·OH還未氧化抗生素就先自身發(fā)生了反應(yīng)：

而當(dāng) n（H2O2）/n（Fe2+）過(guò)大時(shí)，F(xiàn)e2+過(guò)少，抑制了H2O2生成·OH的速率，使得氧化能力變?nèi)?，?dǎo)致抗生素去除率降低。

2.3 TN、TP、TK保留率

在探究養(yǎng)分保留率時(shí)通常TP、TK原則上不會(huì)流失，而TN可能會(huì)以氮?dú)獾男问搅魇А１狙芯吭趐H為4.0，H2O2濃度為 0.4 mol·L-1，n（H2O2）/n（Fe2+）=10∶1最優(yōu)條件下，對(duì)沼液中抗生素去除前后沼液中TN、TP、TK進(jìn)行測(cè)定。由圖8可知，TN、TP、TK的保留率分別為96.0%、97.7%、97.2%，說(shuō)明Fenton在氧化沼液抗生素前后，養(yǎng)分基本沒(méi)有流失。

圖8 Fenton氧化沼液中抗生素后TN、TP、TK保留率Figure8 The retention rate of TN，TP and TK in biogas slurry after antibiotics oxidation by Fenton

3 結(jié)論

（1）Fenton氧化沼液中三種四環(huán)素類(lèi)和三種磺胺類(lèi)抗生素的最佳反應(yīng)條件：pH為4.0、H2O2投加量為0.4 mol·L-1、n（H2O2）/n（Fe2+）=10∶1，此條件下四環(huán)素、土霉素、金霉素、磺胺甲惡唑、磺胺甲基嘧啶、磺胺嘧啶的去除率分別為91.83%、92.38%、80.52%、93.60%、91.97%、91.60%。

（2）Fenton試劑的添加基本不會(huì)影響沼液中養(yǎng)分的含量，沼液中的養(yǎng)分TN、TP、TK保留率分別為96.0%、97.7%、97.2%。

（3）Fenton氧化技術(shù)去除沼液中的抗生素是一種行之有效的方法，這為農(nóng)業(yè)上沼液中抗生素的處理提供了一條可能的途徑。