頭孢類制藥廢水中有機污染物的去除特性

孔瑜，顧衛(wèi)華，段鋒，張西華，趙赫

（1 上海第二工業(yè)大學(xué)電子廢棄物研究中心，資源循環(huán)科學(xué)與工程中心，上海電子廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心，上海201209；2 中國科學(xué)院過程工程研究所環(huán)境技術(shù)與工程研究部，綠色過程與工程重點實驗室，北京市過程污染控制工程技術(shù)研究中心，北京100190）

頭孢類抗生素是將發(fā)酵得到的天然頭孢菌素C 經(jīng)過不同的裂解方式生成7-氨基頭孢烷酸（7-ACA）中間體，再對7-ACA 的側(cè)鏈進行修飾后，合成的具有β-內(nèi)酰胺環(huán)的一類抗生素[1-2]。這類抗生素對革蘭陰性和革蘭陽性細菌均有抑制作用，抗菌譜廣、副作用較小，在抗生素市場中占據(jù)重要地位[3]。近年來，隨著市場需求量的增加，頭孢類抗生素生產(chǎn)和使用量也逐漸增大，據(jù)統(tǒng)計，大多數(shù)國家的β-內(nèi)酰胺類抗生素的使用量占總抗生素總使用量的50%～70%[4]。與此同時，由于工業(yè)化的生產(chǎn)過程帶來相應(yīng)的環(huán)境問題，頭孢類抗生素多采用半化學(xué)合成的生產(chǎn)方式，產(chǎn)生的廢水中可能含有各種有機溶劑、催化劑、原料、反應(yīng)中間體，這使得它們的處理過程變得復(fù)雜[5]。抗生素生產(chǎn)廢水經(jīng)過污水處理廠處理后，在地表水、地下水和土壤中仍可以檢測到抗生素殘留物及其代謝產(chǎn)物[6-7]，這些物質(zhì)在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化導(dǎo)致了抗藥性細菌（ARBs）和基因（ARGs）的產(chǎn)生，可能對人類和動物的健康構(gòu)成嚴重威脅[8-9]。因此，污水處理廠成為環(huán)境中殘留抗生素的主要間接來源之一。

2008 年，我國出臺了針對制藥行業(yè)的水污染排放標準，其中污染控制指標有化學(xué)需氧量（COD）、氨、pH 等常規(guī)指標，還包括急性毒性當量等特征指標[10]。但是，這些指標還不能完全反映生產(chǎn)及處理后產(chǎn)生的污染因子。目前關(guān)于有機污染物和殘留抗生素去除特性的分析相對較少，除此之外，關(guān)于頭孢類抗生素廢水的成分分析，只關(guān)注進出水中的物質(zhì)和種類[11]，并沒有對每個單元的出水進行詳細分析，對頭孢類制藥廢水產(chǎn)生的有機物質(zhì)的潛在毒性還缺乏一定的認識。

本研究針對國內(nèi)某大型藥企的頭孢類抗生素廢水處理工藝，各處理環(huán)節(jié)廢水的常規(guī)指標和殘留抗生素進行分析，采用液液萃取預(yù)處理手段結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）對有機物進行全面定性分析。研究結(jié)果可對現(xiàn)有的處理工藝進行一定的分析與評價，識別出頭孢類制藥廢水產(chǎn)生的特征有機物質(zhì)，并對頭孢類污水處理工藝的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

二氯甲烷，色譜純，天津光復(fù)科技發(fā)展有限公司；頭孢唑啉鈉標準品，純度＞98%，上海阿拉丁；濃硫酸、氫氧化鈉、無水硫酸鈉，分析純，北京化工廠。

1.2 實驗設(shè)備與分析儀器

TOC-V CPH 型TOC 測定儀，日本島津；Agilent GC7890A-MS5975C 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國Agilent 公司；1200 Infinity Series 型高效液相色譜儀，美國Agilent 公司；5B-3B(V8)型多參數(shù)水質(zhì)測定儀，蘭州連華環(huán)?？萍脊?。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品來源及取樣點

水樣取自國內(nèi)某大型藥企抗生素制藥廢水綜合污水處理廠，該企業(yè)以生產(chǎn)頭孢唑啉鈉為主。污水廠采用預(yù)處理+水解酸化+A/O+MBR 工藝。水樣取自污水處理工藝中高濃度廢水調(diào)節(jié)池1、高濃度廢水水解酸化池1、綜合廢水調(diào)節(jié)池2、綜合廢水水解酸化池2、A 池、MBR 池出水等的6 個取樣點，水樣為24h混合水樣，工藝流程圖及取樣點位置如圖1所示。①、②取樣點分別為高濃度廢水的預(yù)處理單元進水和出水，③、④、⑤和⑥取樣點分別為綜合調(diào)節(jié)池出水、水解酸化、缺氧和好氧MBR出水。

1.3.2 廢水中特征有機物分析方法

二氯甲烷液液萃取方法：將150mL 水樣與30mL二氯甲烷混合，用10mol/L NaOH 或者濃硫酸依次調(diào)節(jié)水樣至中性（pH=7）、酸性（pH＜2）、堿性（pH＞12），經(jīng)過二氯甲烷3 次萃取后，將所有萃取相收集起來，加過量無水硫酸鈉干燥，干燥后的有機相放入氮吹儀濃縮，40℃下氮吹濃縮至1.0mL待用。

圖1 制藥廢水處理工藝流程及取樣點

氣相色譜基本條件：進樣口200℃，進樣量1μL，分流比10∶1，載氣為99.99%氦氣。升溫條件：起始溫度40℃保持2min，以5℃/min 升溫至120℃保持2min，再以10℃/min 升溫至250℃保持2min。質(zhì)譜條件：全掃描模式，質(zhì)量數(shù)30～500，四級桿溫度150℃，離子源溫度230℃。頭孢唑啉鈉濃度分析參考《中華人民共和國藥典》[12]，先使用HLB 固相萃取柱分離濃縮，然后采用高效液相色譜分析， 流動相為0.01mol/L 磷酸氫二鈉、0.006mol/L 檸檬酸混合溶液和乙腈，比例為88%∶12%，檢測波長為254nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 常規(guī)污染物去除效果分析

各取樣點測定的常規(guī)污染物的水質(zhì)指標見表1。

圖2 各處理單元對污染物的去除率

表1 常規(guī)水質(zhì)指標

2.2 特征有機污染物定性全解析

污水處理廠各取樣點出水GC-MS 總離子流見圖3。在預(yù)處理單元和水解酸化單元，有機物的相對豐度是逐漸降低的，這些有機物質(zhì)可以通過微生物和吸附的方式進行降解或者轉(zhuǎn)移至污泥相中[15]，在缺氧和好氧單元中檢出的有機物可能通過微生物的作用形成相關(guān)的代謝產(chǎn)物?？傮w上，隨著工藝流程的進行，有機物的相對豐度逐漸降低。頭孢類制藥廢水處理工藝各取樣點的GC-MS結(jié)果見表2，經(jīng)過GC-MS 測定后得到的有機物與NIST 譜庫進行比對，共得到52 種有機物質(zhì)。將測得的有機物分為酸酯類、胺類、酰胺類、酚類、烷烴類、芳香烴類、鹵代烴類、雜環(huán)類、醛酮類、醇醚類10 類物質(zhì)，在①～④取樣點出水中測得的有機物種類逐漸減少，然而在污水處理流程的后段生物處理階段，⑤、⑥取樣點出水中，有機物質(zhì)的種類增多。

圖3 各取樣點出水GC-MS總離子流

表2 制藥廢水處理工藝流程中各取樣點GC-MS結(jié)果

續(xù)表2

各取樣點出水中的有機物種類分布見表3，在預(yù)處理單元酸酯類、胺類和雜環(huán)類有機物所占比例較高，這幾類有機物在頭孢類抗生素的工業(yè)生產(chǎn)中作為有機溶劑或原料使用。經(jīng)過水解酸化單元后，酸酯類、胺類和雜環(huán)類有機物的種類減少，預(yù)處理單元檢出的醚醇類有機物沒有出現(xiàn)，一部分原料和有機溶劑得到了降解。在缺氧單元和好氧單元的出水中，有機物種類明顯增多，說明在生物處理過程中這些有機物并沒有被完全礦化，它們形成了更多的代謝產(chǎn)物[16]。缺氧單元出水中胺類、雜環(huán)類還是主要有機物種類，新增加了烷烴、鹵代烴、醛酮類的有機物，好氧單元出水中烷烴、芳香烴、鹵代烴這些烴類物質(zhì)和醛酮、醇醚類有機物的比例上升?？傮w上，有機物的種類增多且分布較為均勻。

表3 各取樣點出水有機物種類分布

各取樣點出水中的每類有機物相對豐度所占的比例見圖4，在預(yù)處理單元酸酯類、胺類、酰胺類、雜環(huán)類有機物相對豐度較高，通過與NIST 譜庫進行比對，這些有機物分別為丁酸、三乙胺、N,N-二甲基三甲基乙酰胺和四氫呋喃在頭孢類抗生素的工業(yè)生產(chǎn)中作為有機溶劑或原料使用。特別是三乙胺和四氫呋喃的相對豐度較高，是預(yù)處理單元出水中最主要的兩種有機物。水解酸化單元中胺類和雜環(huán)類有機物的相對豐度所占比例仍然較高，與預(yù)處理單元相比，所占比例為64%～67%和16%～19%，保持穩(wěn)定。酸酯類有機物相對豐度的所占比例是逐漸降低的，說明水解酸化單元對酸酯類有機物進行了有效的降解。在④取樣點出水中，酚類有機物的比例有所上升，其中相對豐度最高的有機物是苯酚。經(jīng)過水解酸化單元處理后三乙胺、四氫呋喃依然是出水中最主要的兩種有機物。缺氧和好氧單元出水中鹵代烴是主要的一類有機物，相對豐度所占比例分別為55.96%和34.69%。由圖4 可知，在缺氧和好氧單元中有機物的種類增多，但大部分增加的有機物相對豐度較低（圖4）。在缺氧單元出水中三乙胺、四氫呋喃、N,N-二甲基三甲基乙酰胺、苯酚等有機物未檢出，1,2-二氯乙烯、2-巰基-5-甲基-1,3,4-噻二唑是出水中主要的有機物，其來源可能是原料或有機溶劑經(jīng)過處理后形成的代謝產(chǎn)物或中間體。好氧單元出水鹵代烴類有機物1,2-二氯乙烯和烷烴類有機物正己烷的相對豐度較高，仍需要關(guān)注其后續(xù)的遷移轉(zhuǎn)化過程。

在檢測出的上述有機物中，三氯甲烷、苯酚[17]屬于水中優(yōu)先控制的污染物。頭孢類制藥廢水經(jīng)一系列處理后，總出水中仍含有三氯甲烷，其與1,2-二氯乙烯屬于《地下水質(zhì)量標準》（GB/T 14848—2017）中規(guī)定需測定的毒理學(xué)指標[18]。此外，雜環(huán)類物質(zhì)中的2-巰基咪唑、2-巰基-5-甲基-1,3,4-噻二唑可能具有持久性和生物毒性[19]，若直接排放將會對水體環(huán)境帶來污染風(fēng)險。

圖4 各取樣點出水有機物相對豐度

3 結(jié)論

本研究基于經(jīng)處理后的頭孢類抗生素廢水，通過對其處理過程相關(guān)取樣點常規(guī)水質(zhì)指標和有機物質(zhì)的全面分析，可以得出如下主要結(jié)論。

（1） 頭孢類抗生素廢水經(jīng)處理后COD、TOC、氨氮、總氮、總磷、pH 等常規(guī)水質(zhì)指標的排放限值滿足《化學(xué)合成類制藥工業(yè)水污染物排放標準》（GB 21904－2008）的直接排放要求，其殘留抗生素去除率可達到99%，采用GC-MS 對各取樣點出水進行有機物全分析后，共測得52種有機物質(zhì)，其中酸酯類、雜環(huán)類、胺類物質(zhì)所占比例較高。

（2）通過對頭孢類污染物的去除特性進行研究發(fā)現(xiàn)，該污水處理廠采用的“預(yù)處理+水解酸化+A/O+MBR”工藝處理效果較好，故針對難降解抗生素廢水采用“水解酸化-缺氧-好氧生物處理”是一種有效的處理方式。

（3）頭孢類抗生素生產(chǎn)過程中的原料和有機溶劑三乙胺、四氫呋喃、N,N-二甲基三甲基乙酰胺、丁酸等以及污水處理過程中生成的2-巰基咪唑、2-巰基-5-甲基-1,3,4-噻二唑等代謝產(chǎn)物，盡管目前并沒有被相關(guān)的排放標準列入需要測定的污染物指標，但由于其毒性較大、排放含量較高，仍需要關(guān)注其排放含量和遷移轉(zhuǎn)化過程，同時急需優(yōu)化現(xiàn)有工藝，增加深度處理過程，強化有機物的深度去除。