CN103820315A - 一种头孢菌素菌渣无害化处理的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种头孢菌素菌渣无害化处理的装置及方法，该装置包括头孢菌素菌渣储备池、超声波处理罐、碱热预反应池、碱液罐、调节池、酸液罐、厌氧ASBR反应器、牛粪酸化罐、沼渣收集池等，首先向超声波处理罐内置入头孢菌素菌渣，超声处理后置入碱热预反应池，经两级预处理后混合液置入调节池中，调节pH后置入厌氧ASBR反应器，同时注入牛粪酸化罐内的上清液调节C/N比，经厌氧消化后，产生的沼气回收利用做清洁燃料，沼渣经鉴别为无害排入沼渣收集池中作为制作有机肥的原料。本发明将超声+碱热预处理技术及厌氧生物处理技术进行有机结合，提升了头孢菌素菌渣有机质的利用效率和资源化利用。
Description
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种头孢菌素菌渣无害化处理的装置及方法。
背景技术
我国是抗生素生产大国，2011年我国抗生素产量为111.6万吨占全球市场总量的70%以上。其中头孢菌素的年产量占全球产量的80%以上。按照生产1t抗生素产生8～10t湿菌渣估算，我国每年产生的头孢菌素菌渣体量在5万吨以上，如果处置不当，会严重危害生态环境和人体健康。头孢菌素菌渣过去一直采用干燥加工处理后作为养殖产业的饲料或是饲料添加剂，但由于近年来食品安全事件频发，国家明文禁止使用含抗生素的原料生产饲料。2002年2月由农业部、卫生部和国家药品监督管理局联合发布的第176号公告规定：抗生素废菌渣被列入禁止在饲料和动物饮用水中使用的药物品种。在2008年更将抗生素菌渣列入了新修订的《国家危险废物名录》，抗生素菌渣属于化学药品原料药生产过程中的培养基废物，须按危险废物进行管理。因此如何合理处置头孢菌素菌渣，解决头孢菌素菌渣的出路已经成为非常紧迫的任务。
头孢菌素菌渣主要由菌丝体、剩余培养基、发酵代谢产物组成，其中含有大量的残留抗生素、多糖、蛋白质和多种氨基酸及微量元素，与青霉素、链霉素或土霉素菌渣相比，头孢菌素菌渣抗药稳定性更强、抗药谱也更宽，如果处置不当会对环境造成潜在的环境风险。目前国内制药厂对头孢菌素菌渣大多进行焚烧处置或暂时烘干封存，然而焚烧处理成本较高且会产生二噁英等二次污染、烘干封存占地面积又较大，因此，寻找一种如何消除菌渣中残留毒性物质、合理开发利用菌渣所含生物质能，实现头孢菌素菌渣的无害化及资源化，这对节约资源、防止环境污染、发展循环经济具有重要的意义。同时头孢菌素菌渣中含有大量的蛋白、丰富的维生素、生长因子，具有极大的可生化处理的潜能。
发明内容
本发明为解决现在技术中的问题，提供一种头孢菌素菌渣无害化处理的装置及方法，它采用采用超声、碱热预处理、调节pH值至中性后，进入厌氧ASBR反应器，同时加入牛粪酸化液调理混合液中的C/N比进行厌氧生物降解，使头孢菌素菌渣可以通过厌氧消化同步实现减量化、无害化及资源化。
本发明的技术原理为：
超声处理利用超声波破解头孢菌素菌渣形态，溶解细胞并释放出胞内物质，降低了头孢菌素菌渣抗生素毒害作用增强了菌渣的可生化性，后续的碱热预处理进一步增强了水解破壁效果。热预处理是使蛋白质变性，破坏细胞膜的结构，菌丝体细胞内含物泄漏；碱预处理可以溶解头孢菌素菌渣和菌丝体细胞中的脂类物质，提高头孢菌素菌渣中的水溶性有机物的含量，因此采用超声+碱热联合处理头孢菌素菌渣可以显著提高其可生化性。经超声+碱热预处理后，头孢菌素菌渣混合液中含有大量的蛋白，氨氮含量较高，而碳源严重不足，在进入ASBR厌氧反应器前需要进行水质的调节。通过投加牛粪酸化液及酸的方式调节水体中C/N比为20:1-25:1，pH调节为：7.5-7.8以利于后续的厌氧处理。
经调理后的头孢菌素菌渣混合液进入ASBR厌氧池进行中温厌氧消化，将头孢菌素菌渣中的有机质转化为沼气，可作为清洁燃料使用；厌氧消化产生的沼渣性质稳定、易于脱水，同时菌渣中残留的抗生素经厌氧消化处理后得到充分降解，经鉴别为无害的，可有效解决头孢菌素菌渣中抗生素残留的危害问题，作为生产有机肥的原料，同时实现了头孢菌素菌渣的无害化与资源化。
本发明采用以下技术方案予以实现：
一种头孢菌素菌渣无害化处理的装置，包括头孢菌素菌渣储备池、超声波处理罐、碱热预反应池、碱液罐、调节池、酸液罐、厌氧ASBR反应器、牛粪酸化罐、沼渣收集池、计量泵一、计量泵二、计量泵三、计量泵四、计量泵五、计量泵六、集气袋、加热器、温度探头、温控箱、水质在线监测系统、pH探头、超声探头、计算机、电动搅拌器一、电动搅拌器二、电动搅拌器三、排泥泵；所述头孢菌素菌渣储备池、计量泵一、超声波处理罐、计量泵三、碱热预反应池、调节池、计量泵五、厌氧ASBR反应器、排泥泵、沼渣收集池通过管路依次相连，所述超声波处理罐内一侧设有超声探头，所述超声探头通过线路与计算机连接，所述超声波处理罐与计量泵三之间通过管路连接有计量泵二，所述计量泵二的另一端又通过管路与碱液罐连接；所述碱热预反应池内分别设有电动搅拌器一和温度探头，所述温度探头通过线路连接其外部的温控箱，所述碱热预反应池体外部围绕有加热器；所述酸液罐经过计量泵四与调节池连接，所述调节池内还设有电动搅拌器二、pH探头，所述pH探头通过线路与水质在线监测系统连接，所述牛粪酸化罐经过计量泵六通过管路与调节池连接；所述厌氧ASBR反应器内设有电动搅拌器三，所述厌氧ASBR反应器上端排气口通过水封与集气袋相连，下端通过排泥泵与沼渣收集池相连。
一种利用所述的装置进行头孢菌素菌渣无害化处理的方法，包括以下步骤：
步骤a，通过计量泵一从头孢菌素菌渣储备池将头孢菌素菌渣注入超声波处理罐内，通过计算机控制超声探头的功率及时间，超声声密度设为：0.3-0.6W/ml，超声时间设为：20-30min。
步骤b，将步骤a超声处理罐内的混合液经超声处理后，通过计量泵三注入碱热预反应池，同时将碱液罐中的碱液加入碱热预反应池，使加入的碱NaOH与头孢菌素菌渣质量比为：0.10-0.15；头孢菌素菌渣进料量为厌氧ASBR反应器体积的4-6%。
步骤c，利用温控箱调节碱热预反应池内的温度及搅拌时间，即采用温度探头的温度检测值作为加热及搅拌开始的控制信号；当碱热预反应池内反应温度不足设定的反应温度时，加热器开始加热，温度达到设定的反应温度后加热结束，搅拌时间设定为2-2.5小时，并维持温度恒定；所述反应温度设定为75-85℃，反应时间为：2-2.5h；步骤d，将步骤c反应的混合液经碱热预处理后通过计量泵（无图示）注入调节池中，采用水质在线监测系统实时检测调节池内的pH值，通过控制与酸液罐相连的计量泵四的开启与关闭，使调节池内pH在7.5-7.8范围。
步骤e，将步骤d经水质调节后的混合液通过计量泵五注入厌氧ASBR反应器中，进行厌氧生物处理。
步骤f，开启与牛粪酸化罐相连的计量泵六，将牛粪酸化液注入厌氧ASBR反应器中，头孢菌素菌渣与牛粪酸化液的体积比为：1:2-4，厌氧ASBR反应器容积负荷设定为：小于2.0gVSS/L.d，反应温度设定为40℃，厌氧反应搅拌方式为连续搅拌。
步骤g,经处理后的头孢菌素废渣由排泥泵排入沼渣收集池中，废渣停留时间设定为20-25d。
所述的头孢菌素菌渣无害化处理的方法，所述步骤a所述,超声处理参数设定为：超声声密度：0.5W/ml，超声时间：25min。
所述的头孢菌素菌渣无害化处理的方法，所述步骤b中加入的碱NaOH与头孢菌素菌渣按质量比为0.08-0.09。
所述的头孢菌素菌渣无害化处理的方法，所述步骤c中，碱热预反应池内设定温度为80℃，搅拌时间设定为2.5h本发明与现有技术相比，具有以下显著的优点：
1、实现了头孢菌素菌渣的无害化处理，充分降解了菌渣中头孢菌素残留，同时对头孢菌素菌渣中富含的有机质进行了综合利用，对于头孢菌素菌渣的危害不仅从“量”上而且从“质”上都达到了完全去除。
2、头孢菌素菌渣经超声+碱热预处理可以加强头孢菌素菌渣的预处理，“细胞破壁”效果显著，有效的提升了头孢菌素菌渣的可生化性。
3、整个工艺流程中头孢菌素菌渣全部进入厌氧反应器，不产生二次污染物，经厌氧生物降解后排放的沼渣及上清液均未检测到抗生素的残留，为后续的生物处理降低了抗生素的毒害作用。
4、本发明向厌氧ASBR反应器中加入牛粪酸化液，有效调节了系统内的C/N，并优化了厌氧反应器的运行参数。
5、本系统可以恒定多种运行参数，可以考察单一运行条件对头孢菌素菌渣无害化、无害化处理的影响。
6、本发明首次开发了一套头孢菌素菌渣“超声、碱热预处理+牛粪酸化液混合厌氧消化”的装置与方法，产生的沼气回收利用做清洁燃料，沼渣经鉴别为无害可作为制作有机肥的原料，同时实现头孢菌素菌渣的无害化和资源化。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图
具体实施方式
下面参照附图对本发明具体实施方式进行详细说明。
参见图1。
本发明装置一种头孢菌素菌渣无害化处理的装置，包括头孢菌素菌渣储备池（1）、超声波处理罐（2）、碱热预反应池（3）、碱液罐（4）、调节池（5）、酸液罐（6）、厌氧ASBR反应器（7）、牛粪酸化罐（8）、沼渣收集池（9）、计量泵一（101）、计量泵二（102）、计量泵三（103）、计量泵四（104）、计量泵五（105）、计量泵六（106）、集气袋（11）、加热器（12）、温度探头（13）、温控箱（14）、水质在线监测系统（15）、pH探头（16）、超声探头（17）、计算机（18）、电动搅拌器一（191）、电动搅拌器二（192）、电动搅拌器三（193）、排泥泵（20）；所述头孢菌素菌渣储备池（1）、计量泵一（101）、超声波处理罐（2）、计量泵三（103）、碱热预反应池（3）、调节池（5）、计量泵五（105）、厌氧ASBR反应器（7）、排泥泵（20）、沼渣收集池（9）通过管路依次相连，所述超声波处理罐（2）内一侧设有超声探头（17），所述超声探头（17）通过线路与计算机（18）连接，所述超声波处理罐（2）与计量泵三（103）之间通过管路连接有计量泵二（102），所述计量泵二（102）的另一端又通过管路与碱液罐（4）连接；所述碱热预反应池（3）内分别设有电动搅拌器一（191）和温度探头（13），所述温度探头（13）通过线路连接其外部的温控箱（14），所述碱热预反应池（3）体外部围绕有加热器（12）；所述酸液罐（6）经过计量泵四（104）与调节池（5）连接，所述调节池（5）内还设有电动搅拌器二（192）、pH探头（16），所述pH探头（16）通过线路与水质在线监测系统（15）连接，所述牛粪酸化罐（8）经过计量泵六（106）通过管路与调节池（5）连接；所述厌氧ASBR反应器（7）内设有电动搅拌器三（193），所述厌氧ASBR反应器(7)上端排气口通过水封与集气袋(11)相连，下端通过排泥泵(20)与沼渣收集池(9)相连。
一种上述装置进行头孢菌素菌渣无害化处理的方法，包括以下步骤：
步骤a，通过计量泵一（101）从头孢菌素菌渣储备池（1）将头孢菌素菌渣注入超声波处理罐（2）内，通过计算机（18）控制超声探头（17）的功率及时间，超声声密度设为：0.3-0.6W/ml，超声时间设为：20-30min。
步骤b，将步骤a超声处理罐（2）内的混合液经超声处理后，通过计量泵三（103）注入碱热预反应池（3），同时将碱液罐（4）中的碱液加入碱热预反应池（3），使加入的碱NaOH与头孢菌素菌渣质量比为：0.10-0.15；头孢菌素菌渣进料量为厌氧ASBR反应器体积的4-6%。
步骤c，利用温控箱（14）调节碱热预反应池（3）内的温度及搅拌时间，即采用温度探头（13）的温度检测值作为加热及搅拌开始的控制信号；当碱热预反应池（3）内反应温度不足设定的反应温度时，加热器（12）开始加热，温度达到设定的反应温度后加热结束，搅拌时间设定为2-2.5小时，并维持温度恒定；所述反应温度设定为75-85℃，反应时间为：2-2.5h；步骤d，将步骤c反应的混合液经碱热预处理后通过计量泵（无图示）注入调节池（5）中，采用水质在线监测系统（15）实时检测调节池（5）内的pH值，通过控制与酸液罐（6）相连的计量泵四（104）的开启与关闭，使调节池（5）内pH在7.5-7.8范围。
步骤e，将步骤d经水质调节后的混合液通过计量泵五（105）注入厌氧ASBR反应器（7）中，进行厌氧生物处理。
步骤f，开启与牛粪酸化罐（8）相连的计量泵六（106），将牛粪酸化液注入厌氧ASBR反应器（7）中，头孢菌素菌渣与牛粪酸化液的体积比为：1:2-4，厌氧ASBR反应器容积负荷设定为：小于2.0gVSS/L.d，反应温度设定为40℃，厌氧反应搅拌方式为连续搅拌。
步骤g,经处理后的头孢菌素废渣由排泥泵（20）排入沼渣收集池（9）中，废渣停留时间设定为20-25d。
所述头孢菌素菌渣无害化处理的方法，所述步骤a所述,超声处理参数设定为：超声声密度：0.5W/ml，超声时间：25min。
所述的头孢菌素菌渣无害化处理的方法，所述步骤b中加入的碱NaOH与头孢菌素菌渣按质量比为0.08-0.09。
所述的头孢菌素菌渣无害化处理的方法，所述步骤c中，碱热预反应池（3）内设定温度为80℃，搅拌时间设定为2.5h。
实施例1
取2L头孢菌素菌渣加入头孢菌素菌渣储备池（1）中，通过计量泵一（101）从头孢菌素菌渣储备池（1）将头孢菌素菌渣注入超声波处理罐（2）内，头孢菌素菌渣进料量为厌氧ASBR反应器体积的5%，通过计算机（18）控制超声探头（17）的功率及时间分别为：超声声密度：0.5W/ml，超声时间：25min。并配置0.15mol/L的NaOH碱液加入碱液罐（4）内；通过时间控制开启与头孢菌素菌渣储备池（1）与碱液罐（4）相连的计量泵一（101）、计量泵二（102），将超声处理罐（2）内经超声处理后的混合液（通过计量泵三（103）注入碱热预反应池（3），同时将碱液罐（4）中的碱液加入碱热预反应池（3），使加入的碱液中NaOH与头孢菌素菌渣按质量比为：0.12，利用温控箱（14）调节碱热预反应池（3）内的温度及搅拌时间，即采用温度探头（13）的温度检测值作为加热及搅拌开始的控制信号；当碱热预反应池（3）内反应温度不足80℃时，加热器（12）开始加热，温度达到80℃后加热结束，搅拌时间设定为2.5h；将反应的混合液经碱热预处理后通过计量泵（无图示）注入调节池（5）中，采用水质在线监测系统（15）实时检测调节池（5）内的pH值，通过控制与酸液罐（6）相连的计量泵四104的开启与关闭，使调节池（5）内pH在7.5-7.8范围。将经水质调节后的混合液通过计量泵五（105）注入厌氧ASBR反应器（7）中，进行厌氧生物处理；开启与牛粪酸化罐（8）相连的计量泵六（106），将牛粪酸化液注入厌氧ASBR反应器（7）中，头孢菌素菌渣与牛粪酸化液的体积比为1:4；厌氧ASBR反应器容积负荷设定为1.5gVSS/L.d，反应温度设定为40℃，厌氧反应搅拌方式为连续搅拌，经处理后的头孢菌素废渣由排泥泵（20）排入沼渣收集池（9）中，废渣停留时间设定为20d，沼渣中未检测出抗生素的残留。沼渣中未检测出抗生素的残留，可做一般固废处理，或作为生产有机肥的原料。厌氧降解过程中产生的沼气进入集气袋（11）可作清洁生产燃料使用。
实施例2
取2L头孢菌素菌渣加入头孢菌素菌渣储备池（1）中，通过计量泵一（101）从头孢菌素菌渣储备池（1）将头孢菌素菌渣注入超声波处理罐（2）内，头孢菌素菌渣进料量为厌氧ASBR反应器体积的4%，通过计算机（18）控制超声探头（17）的功率及时间分别为：超声声密度：0.4W/ml，超声时间：30min。
并配置0.15mol/L的NaOH碱液加入碱液罐（4）内；通过时间控制开启与头孢菌素菌渣储备池（1）与碱液罐（4）相连的计量泵一（101）、计量泵二（102），将超声处理罐（2）内经超声处理后的混合液通过计量泵三（103）注入碱热预反应池（3），同时将碱液罐（4）中的碱液加入碱热预反应池（3），使加入的碱液中NaOH与头孢菌素菌渣按质量比为：0.12，利用温控箱（14）调节碱热预反应池（3）内的温度及搅拌时间，即采用温度探头（13）的温度检测值作为加热及搅拌开始的控制信号；当碱热预反应池（3）内反应温度不足80℃时，加热器（12）开始加热，温度达到80℃后加热结束，搅拌时间设定为2.5h；将反应的混合液经碱热预处理后通过计量泵（无图示）注入调节池（5）中，采用水质在线监测系统（15）实时检测调节池（5）内的pH值，通过控制与酸液罐（6）相连的计量泵四（104）的开启与关闭，使调节池（5）内pH在7.5-7.8范围。将经水质调节后的混合液通过计量泵五（105）注入厌氧ASBR反应器（7）中，进行厌氧生物处理；开启与牛粪酸化罐（8）相连的计量泵六（106），将牛粪酸化液注入厌氧ASBR反应器（7）中，头孢菌素菌渣与牛粪酸化液的体积比为1:3.5；厌氧ASBR反应器容积负荷设定为1.8gVSS/L.d，反应温度设定为40℃，厌氧反应搅拌方式为连续搅拌，经处理后的头孢菌素废渣由排泥泵（20）排入沼渣收集池（9）中，废渣停留时间设定为25d，沼渣中未检测出抗生素的残留，可做一般固废处理，或作为生产有机肥的原料。厌氧降解过程中产生的沼气可作清洁生产燃料使用。
Claims (5)
1.一种头孢菌素菌渣无害化处理的装置，其特征是，包括头孢菌素菌渣储备池（1）、超声波处理罐（2）、碱热预反应池（3）、碱液罐（4）、调节池（5）、酸液罐（6）、厌氧ASBR反应器（7）、牛粪酸化罐（8）、沼渣收集池（9）、计量泵一（101）、计量泵二（102）、计量泵三（103）、计量泵四（104）、计量泵五（105）、计量泵六（106）、集气袋（11）、加热器（12）、温度探头（13）、温控箱（14）、水质在线监测系统（15）、pH探头（16）、超声探头（17）、计算机（18）、电动搅拌器一（191）、电动搅拌器二（192）、电动搅拌器三（193）、排泥泵（20）；所述头孢菌素菌渣储备池（1）、计量泵一（101）、超声波处理罐（2）、计量泵三（103）、碱热预反应池（3）、调节池（5）、计量泵五（105）、厌氧ASBR反应器（7）、排泥泵（20）、沼渣收集池（9）通过管路依次相连，所述超声波处理罐（2）内一侧设有超声探头（17），所述超声探头（17）通过线路与计算机（18）连接，所述超声波处理罐（2）与计量泵三（103）之间通过管路连接有计量泵二（102），所述计量泵二（102）的另一端又通过管路与碱液罐（4）连接；所述碱热预反应池（3）内分别设有电动搅拌器一（191）和温度探头（13），所述温度探头（13）通过线路连接其外部的温控箱（14），所述碱热预反应池（3）体外部围绕有加热器（12）；所述酸液罐（6）经过计量泵四（104）与调节池（5）连接，所述调节池（5）内还设有电动搅拌器二（192）、pH探头（16），所述pH探头（16）通过线路与水质在线监测系统（15）连接，所述牛粪酸化罐（8）经过计量泵六（106）通过管路与调节池（5）连接；所述厌氧ASBR反应器（7）内设有电动搅拌器三（193），所述厌氧ASBR反应器(7)上端排气口通过水封与集气袋(11)相连，下端通过排泥泵(20)与沼渣收集池(9)相连。
2.一种利用权利要求1所述的装置进行头孢菌素菌渣无害化处理的方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤a，通过计量泵一（101）从头孢菌素菌渣储备池（1）将头孢菌素菌渣注入超声波处理罐（2）内，通过计算机（18）控制超声探头（17）的功率及时间，超声声密度设为：0.3-0.6W/ml，超声时间设为：20-30min；
步骤b，将步骤a超声处理罐（2）内的混合液经超声处理后，通过计量泵三（103）注入碱热预反应池（3），同时将碱液罐（4）中的碱液加入碱热预反应池（3），使加入的碱NaOH与头孢菌素菌渣质量比为：0.10-0.15；头孢菌素菌渣进料量为厌氧ASBR反应器体积的4-6%；
步骤c，利用温控箱（14）调节碱热预反应池（3）内的温度及搅拌时间，即采用温度探头（13）的温度检测值作为加热及搅拌开始的控制信号；当碱热预反应池（3）内反应温度不足设定的反应温度时，加热器（12）开始加热，温度达到设定的反应温度后加热结束，搅拌时间设定为2-2.5小时，并维持温度恒定；所述反应温度设定为75-85℃，反应时间为：2-2.5h；步骤d，将步骤c反应的混合液经碱热预处理后通过计量泵（无图示）注入调节池（5）中，采用水质在线监测系统（15）实时检测调节池（5）内的pH值，通过控制与酸液罐（6）相连的计量泵四（104）的开启与关闭，使调节池（5）内pH在7.5-7.8范围；
步骤e，将步骤d经水质调节后的混合液通过计量泵五（105）注入厌氧ASBR反应器（7）中，进行厌氧生物处理；
步骤f，开启与牛粪酸化罐（8）相连的计量泵六（106），将牛粪酸化液注入厌氧ASBR反应器（7）中，头孢菌素菌渣与牛粪酸化液的体积比为：1:2-4，厌氧ASBR反应器容积负荷设定为：小于2.0gVSS/L.d，反应温度设定为40℃，厌氧反应搅拌方式为连续搅拌；
步骤g,经处理后的头孢菌素废渣由排泥泵（20）排入沼渣收集池（9）中，废渣停留时间设定为20-25d。
3.如权利要求2所述的头孢菌素菌渣无害化处理的方法，其特征是，所述步骤a所述,超声处理参数设定为：超声声密度：0.5W/ml，超声时间：25min。
4.如权利要求2所述的头孢菌素菌渣无害化处理的方法，其特征是，所述步骤b中加入的碱NaOH与头孢菌素菌渣按质量比为0.08-0.09。
5.如权利要求2所述的头孢菌素菌渣无害化处理的方法，其特征是，所述步骤c中，碱热预反应池（3）内设定温度为80℃，搅拌时间设定为2.5h。
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