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化学氧化法处理抗生素制药废水的实验分析

2024-10-07 24 上传者：管理员

摘要：本文主要探究了化学氧化法中的光催化氧化技术在抗生素制药废水处理中的应用效果。从某制造公司采集抗生素制药废水后通过絮凝沉淀法进行预处理，然后将废水和臭氧同时通入反应装置内，利用紫外光激活催化剂，产生强氧化自由基破坏废水中的大分子有机物，达到废水处理目的。在废水处理实验中，紫外光照时间和臭氧通入量对废水中COD去除率有直接影响，在紫外光照时间为180 min、臭氧通入量为33.6 mg/min的条件下，废水浊度降低29.6%，色度去除率为95.9%，净化效果明显。

关键词：
COD去除率
光催化氧化法
制药废水
化学氧化法
废水处理
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废水处理中的化学氧化技术根据实现原理的不同，又可分成氯氧化、光催化氧化、湿式催化氧化等若干种。光催化氧化技术将Ti O2等催化剂和O3等氧化剂进行了组合，进一步强化了光解反应，使废水中产生大量·OH之类的强氧化自由基，攻击并破坏废水有机物，废水得以净化。在应用该技术时，设置紫外光照射时间、臭氧通入量等参数是提高废水净化效果的关键因素。

1、材料与方法

1.1抗生素制药废水来源与水质分析

在抗生素制药过程中产生废水的环节主要有种子罐的冲洗废水、发酵罐的冷却废水，以及分离提取抗生素过程中的废母液。考虑到废水中残留的抗生素会对微生物产生抑制作用进而导致化学氧化法处理废水的效果变差，因此首先选取了某制药厂的抗生素废水，然后进行了厌氧好氧组合处理，再将处理后废水静置沉淀后取上层清液，作为本次实验所用材料。最终所用抗生素制药废水的水质见表1。

1.2实验方法的选择

现阶段常用的抗生素制药废水处理方法有化学氧化和膜分离两种，其中化学氧化技术具体又细分为光催化氧化、氯氧化、微波化学等几种。光催化氧化作为一种深度氧化（AOT）技术，其原理是向废水中加入适量的催化剂（如Ti O2、Cd S等），然后用紫外光等特定光源照射废水，激发催化剂使其释放大量的活化能，进而达到降解废水的效果。相比于氯氧化技术或膜分离技术，光催化氧化技术的优势主要体现在以下三点：第一，适用范围更广，光催化氧化技术即可处理轻度污染的水，也能处理高浓度废水；第二，光催化氧化技术在处理废水过程中不会产生有毒有害物质造成二次污染，并且不会对处理设备产生腐蚀，环保效果好；第三，催化剂被激发后产生的·OH属于强氧化自由基，可以在短时间内将废水中的大分子有机物分解成小分子，废水处理效率更高[1]。

2、光催化氧化法处理抗生素制药废水实验及结果分析

2.1实验装置

为了消除无关因素干扰，在正式进行光催化氧化处理抗生素制药废水前对收集到的废水进行预处理。处理方法为“絮凝沉淀法”，简单来说就是向废水中加入两种化学制剂：一种是氯化铝絮凝剂，每1 L废水加入絮凝剂300 mg；另一种是聚丙烯酰胺助凝剂，每1 L废水加入助凝剂15 mg。按照上述用量向废水中加入两种化学制剂后，使用搅拌机在室温下匀速搅拌10 min，然后静置30 min。等待废水絮凝沉淀结束后，使用胶头滴管吸取上层清液，并使用孔径为100μm的过滤网过滤上层清液，收集过滤后的清液进行试验。

表1抗生素制药废水水质分析

本次光催化氧化法处理抗生素制药废水的实验装置由臭氧发生装置、反应装置以及企业混合泵等组成，整体结构如图1所示。

图1光催化氧化实验装置

图1中，1为氧气瓶，2为废水储存箱，3为氧气发生装置，4为进气流量计，5为气液混合泵，6为进水流量计，7为取样口，8为反应装置，9为催化剂附着玻璃片，10为紫外线灯管。该装置中所用催化剂为Ti O2，将其固定在玻璃片上形成面积为0.26 m2的催化膜，整个反应装置的最大容积为5.5 L。选取COD（化学需氧量）作为判断废水处理情况的指标，COD去除率（P）可通过下式求得：

式中：Q表示进水的化学需氧量；q表示t时刻出水的化学需氧量，两者单位均为mg/L。实验流程如下：经过预处理后的抗生素制药废水倒入2中，同时从1向3送入氧气，在3内将氧气转化为抽样，并通过4调节臭氧的输送流量。臭氧和废水共同进入5，在5内均匀混合后经6进入到8中，打开10照射废水同时开始计时。每隔一段时间从7处采集样品并进行分析[2]。

2.2催化氧化条件对处理效果的影响

光催化氧化技术是利用催化剂被激活后产生的强氧化自由基实现大分子有机物降解的，为了验证光催化氧化对废水中有机物的去除效果，设置了单独使用臭氧进行氧化、单独使用光催化的对照实验。3种实验条件下的抗生素制药废水处理效果如图2所示。

图2 3种处理方法对COD去除率的影响

由图2可知，在没有通入臭氧、只进行光催化的条件下，废水中COD的去除率较低，在实验进行到120 min后废水的COD去除率仅为17.5%；在没有进行光催化、只通入臭氧进行氧化处理的情况下，废水中COD的去除率有明显升高，在实验进行到120 min时COD去除率达到了52.2%；将光催化和臭氧氧化结合起来，在光催化氧化处理下废水中COD的去除率在120 min时达到了66.2%。横向对比可以发现，光催化氧化技术可以发挥臭氧（O3）与催化剂（Ti O2/UV）的协同降解作用，使废水中产生更多的羟基自由基，从而进一步提高了抗生素制药废水中COD等有机物的降解[3]。

2.3紫外光照时间对处理效果的影响

在光催化氧化处理抗生素制药废水中，需要使用紫外光照射催化剂达到激发催化剂活化能的目的，这也是催化剂能够释放强氧化自由基的必要步骤。紫外光的照射时间会对催化剂的活性产生影响，进而决定了废水处理效果。在实验中将臭氧流量设定为33.6mg/min，探究紫外光照射时间分别为0 min、60 min、120 min、180 min、240 min和300 min时，抗生素制药废水中COD的去除率，结果如图3所示。

如图3所示，从整体上看随着紫外光照射时间的延长，抗生素制药废水中COD的去除率也呈现出升高的趋势，在实验进行到300 min后COD去除率稳定在70.2%。需要注意的是，在实验的前180 min，随着紫外光照射时间的增加，废水中COD去除率的增幅较为明显；从180 min以后，继续延长紫外光照射时间，废水COD去除率的增幅变得缓慢。分析其原因，一部分废水降解产物吸附在催化剂表面，随着时间的增加催化剂表面吸附的降解产物也会变多，遮挡了紫外光，导致催化氧化效果下降[4]。因此，从经济性和效率性等角度考虑，在使用光催化氧化技术处理抗生素制药废水时，可以将紫外光的照射时间设定为180 min。

图3紫外光照时间与废水COD去除率的关系曲线

2.4通气条件对处理效果的影响

催化剂在受到紫外光的照射后，使臭氧吸收光能分解形成·OH自由基，破坏废水中的有机物基团，使其降解成为小分子。因此，在光催化氧化技术处理抗生素制药废水的实验中，臭氧的通入量也是决定废水处理效果的一个重要因素。在紫外线光照时间等其他无关变量保持一致的前提下，将臭氧的通入量分别设定为20.4 mg/min、27.5 mg/min、33.6 mg/min三个水平，探究不同的臭氧通入量对抗生素制药废水中COD去除率的影响，结果如图4所示。

图4不同通气条件下废水COD的去除率

由图4可知，随着时间的延长，3种通气条件下的废水COD去除率均呈现出上升趋势。横向对比来看，在臭氧通入量越多的情况下，废水COD去除率越高。以实验时间为180 min为例，当臭氧通入量为33.6mg/min时，废水COD去除率为62.6 mg/min；当臭氧通入量为20.4 mg/min时，废水COD去除率为48.2mg/min。这一数据说明在光催化氧化技术处理抗生素制药废水实验中，适当提高臭氧通入量对提高COD去除率有积极帮助。需要注意的是，在实验时间300min时，3种通气条件下废水COD去除率基本相同，因此在实际应用光催化氧化技术时还要综合考虑投入产出比，通过合理设定臭氧通入量在保证废水净化效果和控制废水处理成本之间达到平衡[5]。

2.5废水水质指标的变化

选取预处理的抗生素制药废水，测定其电导率、浊度和色度；然后使用光催化氧化装置进行废水处理，实验条件设定如下：紫外灯光照时间180 min，臭氧通入量33.6mg/min。实验结束后同样测定电导率、浊度和色度3项水质指标，统计结果见表2。

表2光催化氧化前后废水3项水质指标的变化情况

由表2数据可知，使用光催化氧化技术处理抗生素制药废水，可以降低废水浊度和去除废水色度。浊度方面，经过光催化氧化处理后从27 NTU降低至19NTU，去除率为29.6%；色度方面，从原来的298倍降低至12倍，去除率为95.9%。

3、结束语

在环保要求日益严格背景下，抗生素制药公司必须要选择净化更加彻底、应用成本较低并且不会产生二次污染的废水处理技术。在现行的若干种抗生素制药废水处理技术中，光催化氧化技术能够较好地满足上述要求，从而成为制造公司废水处理的优先选择。为了更好地发挥光催化氧化技术的应用优势，除了要选择合适的催化剂、做好废水预处理外，还要设置好紫外光照时间、臭氧通气条件，在比较经济的基础上最大程度的提高抗生素制药废水的处理效果。

参考文献:

[1]郑嘉如,方战强,易云强.基于化学氧化法修复石油烃污染土壤研究进展[J].环境化学,2023,42(2):608-626.

[2]王德鑫,金光,王健.基于电化学氧化法处理燃煤电厂高盐氨氮废水的分析[J].化工管理,2023(20):49-51.

[3]杨军,周婕,刘义乐.电化学氧化法处理小区垃圾滤出液的研究[J].清洗世界,2023(10):31-33.

[4]刘林刚,党晋华,韩文辉.原位处理河道磷污染的光催化氧化技术研究[J].山西化工,2023(9):191-194.

[5]李金城,宋永辉,汤洁莉.电化学氧化法去除兰炭废水中COD和NH3-N[J].中国环境科学,2022(2):9-11.

文章来源:王军.化学氧化法处理抗生素制药废水的实验分析[J].科学技术创新,2024,(22):5-8.