抗生素廢水的處理技術(shù)研究與展望

余小玉

（廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院，廣東 佛山 528216）

由于人類在家庭或醫(yī)院、獸醫(yī)和農(nóng)業(yè)等方面對(duì)抗生素的大量使用，大量的抗生素化合物不斷地從人為來(lái)源釋放到環(huán)境中，并對(duì)水生生物產(chǎn)生了不良影響，如對(duì)水生生物產(chǎn)生毒性、增強(qiáng)了細(xì)菌的耐藥性以及干擾內(nèi)分泌等等[1]。因此在過(guò)去幾年，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到抗生素是一類新的水污染物，并且引起重視，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。本文闡述了生物處理法、膜處理法、活性碳吸附法以及高級(jí)氧化技術(shù)在抗生素廢水處理中的研究應(yīng)用。

1 生物處理法

抗生素大多是親水性的，并且具有生物抗性，因此，它們主要停留在廢水的水相中。廢水處理中影響抗生素殘留生物去除的主要因素有生化需氧量（BOD5）、缺氧和厭氧室的存在和大小、懸浮固體（SS）負(fù)荷、水力停留時(shí)間（HRT）、污泥停留時(shí)間（SRT）、污泥負(fù)荷F/M 比）、混合液懸浮固體（MLSS）、pH 和溫度等[2]。

SRT 與微生物的生長(zhǎng)速度有關(guān)。高SRT 允許緩慢生長(zhǎng)的細(xì)菌富集，因此提供更大的酶多樣性，其中一些能夠降解抗生素化合物[3]。膜生物反應(yīng)器（MBR）可以達(dá)到較高的SRT，其中懸浮活性污泥通過(guò)使用膜進(jìn)行固液分離而不是使用常規(guī)活性污泥中的沉淀池。

2 膜處理法

膜處理法中抗生素的去除可以通過(guò)多種機(jī)制進(jìn)行。首先，可以通過(guò)吸附來(lái)控制，在吸附過(guò)程中，疏水性或具有強(qiáng)氫鍵特性的抗生素在過(guò)濾的初始階段容易吸附到膜上。然而，在許多情況下，由于未帶電溶質(zhì)的空間效應(yīng)或帶電溶質(zhì)的空間效應(yīng)和靜電效應(yīng)的結(jié)合，可通過(guò)穩(wěn)態(tài)排斥反應(yīng)進(jìn)行去除[4]。這些機(jī)理取決于化合物的物理化學(xué)性質(zhì)、溶液性質(zhì)和膜特性等。

近年來(lái)在廢水處理過(guò)程中，納濾（NF）和反滲透（RO）中使用的較低膜孔徑已被證明能有效去除包括抗生素在內(nèi)的低分子量藥物化合物。研究表明，包括喹諾酮類、磺胺類、四環(huán)素類和甲氧芐啶在內(nèi)的幾種抗生素的去除率高達(dá)90%[5]。鑒于MBR 和NF/RO 膜過(guò)濾的互補(bǔ)處理能力，這兩種處理工藝的耦合有很大的空間來(lái)實(shí)現(xiàn)整體性能的提高。MBR/RO 對(duì)目標(biāo)抗生素的總體去除率達(dá)到99%以上[6]。一些研究表明，膜的污染也會(huì)導(dǎo)致許多溶質(zhì)的截留，主要是由于負(fù)表面電荷的增加導(dǎo)致離子物種的靜電排斥增加，同時(shí)非離子溶質(zhì)的吸附能力增加。

3 活性碳吸附法

活性炭吸附處理可用于去除水中的許多疏水性藥物和一些帶電藥物[7]。吸附主要包括以下步驟：1）吸附劑周圍靜止液膜在吸附質(zhì)運(yùn)動(dòng)中的溶質(zhì)運(yùn)移；2）液膜擴(kuò)散吸附質(zhì)沿液膜的運(yùn)移；3）孔隙擴(kuò)散吸附質(zhì)通過(guò)多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到活性中心；4）吸附質(zhì)與多孔結(jié)構(gòu)之間的吸附相互作用。

活性炭吸附處理系統(tǒng)的去除效果取決于吸附劑的性質(zhì)（如比表面積、孔隙率、表面極性和材料的物理形狀）和化合物的特性（如形狀、尺寸、電荷和疏水性）[8]。在活性炭吸附系統(tǒng)中，非特異性分散相互作用（如范德華力相互作用）是去除抗生素的主要機(jī)理。然而，離子抗生素與活性炭表面帶電基團(tuán)之間的靜電相互作用可導(dǎo)致極性抗生素的去除。應(yīng)注意的是，在廢水中應(yīng)用活性炭吸附工藝的情況下，廢水基質(zhì)中的天然溶解有機(jī)物競(jìng)爭(zhēng)吸附位置，降低了抗生素和其他微污染物的活性炭容量。

4 高級(jí)氧化技術(shù)（AOPs）

AOPs 是廢水處理的一種非常有效的方法。這些過(guò)程涉及到強(qiáng)氧化性的自由基（如·OH 等）?！H 是強(qiáng)有力的氧化劑，對(duì)有機(jī)物進(jìn)行氧化和礦化。一些研究報(bào)道了AOPs 對(duì)廢水中抗生素的有效去除[9]。值得注意的是，大多數(shù)研究不包括關(guān)于在應(yīng)用氧化過(guò)程中形成的副產(chǎn)物或與副產(chǎn)物的抗生素活性有關(guān)的信息。因此，應(yīng)監(jiān)測(cè)AOPs 過(guò)程，并應(yīng)伴隨生態(tài)毒理學(xué)調(diào)查來(lái)研究潛在毒性轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的形成[10]。氧化過(guò)程降解抗生素的有效性將在很大程度上取決于特定的水中共存物質(zhì)。例如，自然溶解有機(jī)物的存在可導(dǎo)致氧化副產(chǎn)物的形成，其可能導(dǎo)致水質(zhì)在其初始污染狀態(tài)下惡化。類似地，硝酸鹽、碳酸鹽的存在會(huì)干擾目標(biāo)抗生素的破壞，并最終降低所選AOP 的有效性[11]。目前，AOPs 的多元化得到了增強(qiáng)，因?yàn)樗兄煌纳a(chǎn)羥基自由基的方法，有助于滿足特殊的處理要求。最常用的高級(jí)氧化技術(shù)有臭氧氧化法、芬頓試劑氧化法、TiO2多相光催化、超聲波降解法等。

5 結(jié)論與展望

傳統(tǒng)的污水處理工藝一般難以徹底處理抗生素廢水。與常規(guī)的活性污泥處理系統(tǒng)相比，MBR系統(tǒng)在去除某些抗生素方面更為有效，而缺點(diǎn)是處理成本相對(duì)較高。深度處理是傳統(tǒng)生物工藝的下游，能顯著提高廢水中抗生素的去除率。盡管深度處理的資金和運(yùn)營(yíng)成本增加了，但如果不進(jìn)行深度處理，就難以達(dá)到越來(lái)越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。目前在環(huán)境或污水處理過(guò)程中形成的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物和氧化過(guò)程中物質(zhì)的轉(zhuǎn)換只有很少的信息是可用的。未來(lái)的研究應(yīng)專注于潛在的在處理過(guò)程中形成藥理活性或毒性更大的產(chǎn)品。此外，有必要對(duì)污水處理中人類代謝產(chǎn)物的發(fā)生、轉(zhuǎn)化和清除進(jìn)行研究。

從實(shí)用的角度來(lái)看，有必要研究過(guò)程整合，以最大限度地發(fā)揮去除抗生素和消毒的處理效果，包括那些可以使用可再生能源資源的過(guò)程。此外，在從廢水中去除抗生素殘留的工業(yè)規(guī)模應(yīng)用框架內(nèi)，環(huán)境和經(jīng)濟(jì)評(píng)估都是必要的。