抗生素藥渣資源化處置技術研究進展

高昕玥，翁君杰，唐冠韜，周 磊，趙鵬勃，王長安，車得福

（1.西安交通大學，動力工程多相流國家重點實驗室，陜西 西安710049；2.寧波明州熱電有限公司，浙江 寧波315000；3.西安西熱鍋爐環(huán)保工程有限公司，陜西 西安710054）

0 引 言

抗生素是生物活性物質的一種，主要用于治療各種細菌感染或致病微生物感染類疾病，其主要由細菌、霉菌或其他微生物代謝產生，抗生素的應用對人類的醫(yī)療發(fā)展有著深遠的影響。我國每年生產70多種抗生素，總產量很高，是名副其實的抗生素生產和消費大國，而我國抗生素出口量約占世界抗生素總出口量的70%。在抗生素生產過程中，不可避免地會產生大量的藥渣，如果處理不當不僅會造成嚴重的生態(tài)環(huán)境污染問題，而且會引起嚴重的資源浪費，因此針對抗生素藥渣的資源處置技術開展研究工作十分迫切。

微生物發(fā)酵制藥后所產生的固體廢棄物，即被稱為抗生素藥渣?？股厣a過程中對原材料的利用率僅為1%～4%，由此在生產過程中產生大量廢棄藥渣。據(jù)悉，生產一種抗生素基本需要原材料10余種，每千克抗生素就需要消耗25～l00 kg的原材料，而原材料大部分殘留在殘渣中。研究表明，抗生素藥渣不斷在水體、土壤、污泥中進行遷移、吸附和自然降解，殘渣中的抗生素會對環(huán)境產生嚴重的污染，容易增加土壤中耐藥菌的數(shù)量，耐藥菌通過水循環(huán)或者食物鏈循環(huán)傳給人類，將會對人類的公共健康構成嚴重威脅。據(jù)悉，自2008年起，我國已將抗生素菌渣定性為危險固體廢物，其高效安全處置問題十分重要。

抗生素藥渣中通常含有殘留的抗生素，但藥渣中殘留的抗生素含量很少，通常質量分數(shù)僅為0.004%～0.3%，除此外抗生素中主要含有豐富的有機物、營養(yǎng)物質以及添加礦物質等。若抗生素藥渣不經(jīng)處理而直接丟棄處理，會成為國家能源發(fā)展的負擔；若抗生素藥渣處理不當直接進入環(huán)境，造成資源浪費的同時更會嚴重影響人體健康和生態(tài)安全。因此，對于抗生素藥渣，目前應該持續(xù)開發(fā)高效安全的抗生素藥渣無害化處置技術，最大限度地實現(xiàn)藥渣的“無害化、減量化、資源化”。

對于抗生素藥渣，已有相關綜述研究。但側重點不盡相同，其中天津大學陳冠益系統(tǒng)地闡述了抗生素藥渣類型、性質和危害，并歸納了各類熱化學處理技術和非熱化學處理技術，提出了用烘焙技術消除抗生素藥渣的生物危險性的理念。河南工業(yè)大學的王金雙主要從抗生素藥渣的來源和特點進行分析，歸納總結了7種抗生素藥渣處理手段，各種手段的優(yōu)缺點需要進一步地深入對比分析。哈爾濱工業(yè)大學的公丕成從資源化技術和安全性評估兩個方面對此進行總結，系統(tǒng)闡述了評估指標實現(xiàn)的技術困難。華北制藥集團的劉勇剛認為抗生素藥渣肥料化與能源化是規(guī)?；幹每股厮幵挠行緩剑⑵赜谘芯可锇踩詸z測方法與評估標準，但文中并未對抗生素進行分類研究，也未深入對比分析各處置技術的優(yōu)劣。

本文綜述了關于抗生素藥渣資源化處置的主要技術現(xiàn)狀，首先對抗生素進行了詳細分類，進一步分析討論了抗生素藥渣成分及其特點，總結了目前抗生素藥渣資源化處置技術的最新研究進展，分析了各處置技術的主要優(yōu)缺點以及適用條件，最后對抗生素藥渣處置技術的發(fā)展前景進行了展望，以期為抗生素藥渣高效清潔安全處置提供一定的理論支撐與科學指導。

1 抗生素的種類與藥渣成分

1.1 抗生素的種類

抗生素種類繁多，按照抗生素的化學結構及作用機理，將目前主要的抗生素總結歸納為β-內酰胺類抗生素、大環(huán)內酯類抗生素、四環(huán)素類抗生素、氨基糖苷類抗生素、多肽類抗生素以及其他種類抗生素6大類。

（1）β-內酰胺類抗生素

此類抗生素化學結構中具有β-內酞胺環(huán)，青霉素和頭孢菌素是常見的此類抗生素，其作用機制相似，主要抑制抗革蘭氏陽性菌的活性，通過抑制轉肽酶干擾細胞壁的合成。

（2）大環(huán)內酯類抗生素

紅霉素和羅紅霉素等是臨床常見的大環(huán)內酯類抗生素，此類抗生素以大環(huán)內酯為母體，通過羥基以苷鍵和1～3個糖分子相連。

（3）四環(huán)素類抗生素

四環(huán)素、土霉素和金霉素是臨床常見的四環(huán)素類抗生素，該類抗生素是兩性物質，通常在堿性水溶液中易降解，在酸性水溶液中則較穩(wěn)定，四環(huán)素類抗生素由鏈霉菌提取，氫化駢四苯是其共同具有的基本母核，不同抗生素間僅取代基有所不同。

（4）氨基糖苷類抗生素

常見的氨基糖苷類抗生素有慶大霉素、鏈霉素和卡那霉素等，此類抗生素呈堿性，其化學結構中含有氨基醇環(huán)和氨基糖分子，并由配糖鍵連接成苷。

（5）多肽類抗生素

常見的多肽類抗生素有萬古霉素。

（6）其他種類抗生素

抗生素種類不同造成抗生素藥渣間成分可能存在著巨大不同，因此在藥渣資源化利用過程中，需充分考慮藥渣來源和成分差異性可能造成的影響，需在特定條件下根據(jù)實際需要和藥渣成分特征，選取或者開發(fā)個性化的藥渣資源化利用技術及方案。

1.2 抗生素藥渣成分

生產抗生素過程中，培養(yǎng)基中放入能產生抗生素的微生物，經(jīng)過發(fā)酵與培養(yǎng)后，在罐中對發(fā)酵液進行過濾，分離出濾液和濾餅，濾餅部分即為藥渣。抗生素藥渣一般外觀呈豆腐渣樣，含水率高，含有豐富的有機質，其主要成分為微生物菌絲體和未被利用的淀粉、黃豆粉和棉籽蛋白等有機質以及少量未被完全提取的抗生素和黃血鹽、氯化鋁和硫酸鈣等代謝產物，以及在提取過程中的各種添加劑。因此，抗生素藥渣通常含有大量有機質，且水分含量高，礦物質種類較復雜。

在抗生素中，菌絲體里含有蛋白質、幾丁質、葡聚糖等有機物質，而蛋白質又占菌絲體的50%。楊杰榮[22]對青霉素的菌絲體進行研究后發(fā)現(xiàn)青霉素菌絲體的主要元素組成是C、H、O、N，其中C含量占44%，O含量占30%。在微生物發(fā)酵生產過程中，根據(jù)抗生素微生物的生化特性，提取抗生素藥渣中有用成分的提取可分為從發(fā)酵液中提取出以及從菌絲體中提取出2種方式。但是通過這2種提取方式，抗生素藥渣中都仍然會殘留少量的抗生素、菌絲體以及中間代謝產物。而殘留在藥渣中的抗生素和菌絲體對其處理技術提出了更高要求，如果處理不當，殘留的此類物質會對人體健康和環(huán)境保護造成不可逆的影響。

2 藥渣處置技術研究現(xiàn)狀與進展

科學合理的藥渣處置技術，不僅能夠安全環(huán)保地解決藥渣造成的環(huán)境問題，還能夠最大限度地利用藥渣，使其有效的資源部分實現(xiàn)二次利用。目前，國外發(fā)達國家通常只生產技術成分高、附加值高的抗生素，而將常規(guī)抗生素生產推向發(fā)展中國家，而國外一般采用高溫焚燒的方法處置藥渣。而國內囿于抗生素生產規(guī)模大和難以支付焚燒法的高昂費用等原因，過去一般把抗生素藥渣作為飼料或肥料進行處置，然而近年來越來越多的學者研發(fā)了替代的藥渣資源化技術或方法。但是，藥渣含水率高和存在殘留抗生素是當前抗生素藥渣安全處置技術面臨的兩大技術難題。堆肥化、能源化、填埋、飼料化、藥渣脫毒以及其他綜合利用技術是目前我國常采用的抗生素藥渣處置技術。

2.1 堆肥化技術

藥渣堆肥化技術是指人為依靠微生物（細菌和真菌等）發(fā)酵促進藥渣中有機物腐殖化、礦質化和無害化，然后將其作為有機肥料使用。厭氧堆肥、好氧堆肥以及物理化學法堆肥是常用的藥渣堆肥化技術。厭氧堆肥是厭氧微生物在缺氧或無氧條件下將有機質轉化為甲烷和二氧化碳的堆肥化技術。好氧微生物利用藥渣中有機質進行新陳代謝，從而氧化分解成小分子的生化過程被稱為好氧堆肥。物理化學法制肥是目前企業(yè)中認可度較高的抗生素藥渣處置技術，該技術先用物理化學法對抗生素藥渣進行脫毒，然后再進行堆肥處理。該技術能實現(xiàn)抗生素藥渣的資源化，在一定程度上能降解藥渣中抗生素且操作成本較低，在農產品的品質提高與保護環(huán)境方面有著顯著的效果，促進綠色“有機農業(yè)”發(fā)展。

已有眾多學者對抗生素藥渣單獨堆肥或者與其它物質協(xié)同堆肥處置開展了研究工作，取得了一定的研究成果。張紅娟等將林可霉素藥渣與牛糞混合堆肥進行研究，結果表明堆肥處理可降解林可霉素里的抗生素，并且堆肥后的種子不具有毒性。Kakimoto等在青霉素藥渣堆肥過程中，研究發(fā)現(xiàn)生物因素對青霉素的降解作用微小，氨和pH值水平等非生物因素對青霉素降解影響較大。華北制藥集團將HB藥渣與青霉素藥渣混合，并通過微生物發(fā)酵進行堆肥處理，研究發(fā)現(xiàn)該肥料不僅降低殘留青霉素活性而且還能提高土壤肥力，提高農產品產量。李路平等通過將污泥、抗生素藥渣以及肌苷發(fā)酵渣液等混合加工成有機肥料，發(fā)現(xiàn)使用該化肥同樣可以提高農作物的產量。Dolfiver等通過實驗研究了金霉素、樂菌素和莫能菌素在堆肥處理過程中的降解率。Yang等在溫度為55℃的環(huán)境下，將青霉素藥渣和污水污泥進行3 d的混合堆肥處理，結果表明，肥料中的殘留青霉素被完全去除并且大幅度地提高了種子的發(fā)芽指數(shù)。

堆肥處理技術是成本低、處理方便的技術手段，適用于毒副作用小、抗生素易降解的藥渣。倘若藥渣中殘留抗生素沒有被完全清除，那么長期加工成肥料使用的話，抗生素會流入到植物或微生物中累積并形成耐藥性，從而造成生態(tài)中的潛在風險，所以必須要對抗生素菌渣再生產品的安全使用問題進行評估。

2.2 能源化技術

能源化技術主要是通過一定的熱轉化方式，將抗生素藥渣轉化為一定的能源資源或者熱能進一步利用，該技術可以有效實現(xiàn)菌渣減量化、穩(wěn)定化、資源化，常用的能源化技術有焚燒技術、熱解產氣技術和厭氧消化技術。

藥渣焚燒技術是一種高溫熱處理技術，有機廢物與充足的氧氣在高溫焚燒爐內混合燃燒，廢物中的有毒有害物質在爐內實現(xiàn)氧化、熱解。焚燒技術，是目前在有機固廢處理領域應用最為廣泛的處置方式之一，能在短時間內減少藥渣數(shù)量，并消除有害物質且回收熱量。但是由于抗生素藥渣普遍含水率較高，有的抗生素藥渣含水率可達總質量的80%以上，在直接焚燒之前需要進行干燥處理，并且抗生素藥渣熱值低，在焚燒過程中需要添加煤焦、汽油等輔助燃燒。因此藥渣焚燒過程中大量SOx、NOx等有害氣體，甚至二噁英、呋喃等有害物質將會產生，對環(huán)境產生巨大污染，同時該技術高耗能，高成本，且工藝復雜。

藥渣熱解產氣技術是藥渣在缺氧或無氧的環(huán)境下被高溫分解為氣體燃料（H2、CH4和CO等），有機液體燃料（甲醇、有機酸和焦油等）以及固定碳（焦炭、炭黑）等可儲存性能源的技術。因為在厭氧或缺氧條件中，所以被分解產生的氣體較少，且大部分的重金屬被固化在焦炭之中，對環(huán)境的污染較小。而且熱解技術具有很強的脫毒能力，資源化效果好，但運行成本高，在一定程度上限制了熱解產氣技術的發(fā)展。但該處置技術適用于穩(wěn)定性強、毒副作用較大的抗生素藥渣，具有一定的研究價值。目前熱解氣化技術的研究熱點集中于城市固廢、污泥及秸稈等生物質上，并相應取得了顯著成果。由于在理化特性上，抗生素藥渣與城市垃圾秸稈等生物質具有一定的相近性，所以也可以使用熱解產氣技術研究抗生素藥渣。貢麗鵬用熱解氣化技術研究土霉素藥渣，表明在溫度為220～800℃時，土霉素藥渣的失重率最大，達到了75%。對藥渣進行動力學分析研究，發(fā)現(xiàn)提高升溫速率，活化能和頻率因子會降低，研究還耦合化學活化法與熱解技術，制備出了吸附活性較高的活性炭。尤占平對鏈霉素、慶大霉素藥渣進行研究，實驗發(fā)現(xiàn)提高熱解溫度，能增加熱解氣產量，但會降低可凝結相約焦炭產量。焦永剛通過研究抗生素藥渣熱解處理的可行性，分析熱解產物成分，得到可將熱解工藝處理抗生素藥渣的結論。

藥渣厭氧消化技術是在厭氧環(huán)境下，抗生素藥渣中的有機物質被厭氧菌分解成沼氣和二氧化碳的過程，是一種高效的生物質轉化技術。孫效新用厭氧消化技術研究多種抗生素藥渣以及廢液，實驗發(fā)現(xiàn)厭氧消化技術能對青霉素、麥迪霉以及混合廢液進行處理并制取沼氣，而厭氧消化技術對土霉素藥渣液的制備效果差。所以部分抗生素藥渣可以引入?yún)捬跸幚砑夹g，但厭氧消化技術并不適用于所有種類的抗生素藥渣。Zhang等對頭孢菌渣進行厭氧消化處理后發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，經(jīng)過堿熱法預處理的藥渣的產氣量要高于未預處理的藥渣，厭氧產氣的效果明顯提高。李士蘭等用厭氧消化技術對卡娜霉素藥渣和酒糟的混合燃料進行處理可以制取到品質較高的沼氣。厭氧消化技術雖然能分解一部分抗生素藥渣的有機質，但難以對殘渣進行完全脫毒，無法保障安全性，并且抗生素藥渣中的菌絲體具有剛性的細胞壁，厭氧消化技術難以完全破壞掉細胞壁，所以胞內的有機質釋放量較少，難以充分利用。因此需要進行預處理破壞掉細胞壁，提高胞內有機質的釋放率，從而顯著提高沼氣產率。當前使用厭氧消化技術處理抗生素藥渣雖然取得了一定的進展，但未來仍需要在處理抗生素殘留和破壞菌絲體中的細胞壁中開展進一步的深入研究。

此外，還有學者利用水煤漿與水熱法等能源化技術處置抗生素藥渣。例如，張曄把林可霉素藥渣與淮北煤混合制成水煤漿，研究發(fā)現(xiàn)藥渣能顯著降低水煤漿的成漿濃度，而且與普通水煤漿相比，藥渣水煤漿具有更低的活化能以及更容易著火等優(yōu)點，但當前該技術還存在一定的行業(yè)壁壘，技術難以普遍推廣。Zhang等用水熱法處置抗生素藥渣，并制備固體生物燃料，通過實驗發(fā)現(xiàn)在200℃，反應時間為30 min時，固體燃料的回收率最高，為42.5%。目前水熱法技術也尚不成熟，需要在高溫高壓的條件下進行，處置成本高，也需要考慮技術過程中復雜礦物質對水熱反應器可能產生的腐蝕加劇問題。

2.3 填埋技術

填埋技術主要適用于不能再回收有效成分和能量的廢棄物，藥渣填埋技術將藥渣儲存在土壤中，藥渣長期在微生物的作用下趨于無害化。然而，藥渣填埋會占用大量的土地資源，且藥渣通常具有較高的含水率，若處置不當還會產生大量的滲濾液污染地下水。雖然抗生素藥渣填埋技術處置操作簡單，成本較低，但極大占用我國有限的土地資源，還存在污染地下水的可能隱患。因此，目前已經(jīng)很少有企業(yè)直接采用該技術大量處置抗生素藥渣。

2.4 飼料化技術

部分抗生素藥渣中富含的蛋白質、人體所需的氨基酸以及微量元素使抗生素藥渣具有作為飼料蛋白質添加劑的潛力，抗生素藥渣飼料化不僅能提高家禽的存活率且促進家禽生長，還能解決環(huán)境污染問題，具有較大的經(jīng)濟和環(huán)境效應。但是，藥渣中的殘留抗生素會通過飼料在動物體內富集，使動物產生抗藥性，并且食用這些肉、蛋、奶等畜禽產品會通過食物鏈在人體內蓄積，進而危害人體健康。在抗生素藥渣飼料化處理過程中，要充分考慮生物鏈富集作用帶來的抗生素在人體進一步累計的潛在問題。

根據(jù)我國已發(fā)布的《國家危險廢物名錄》和《禁止在飼料和動物飲用水中使用的藥物品種目錄》，當前我國完全禁止抗生素藥渣直接用作飼料，相關目錄的制定和實施，對抗生素藥渣資源化處理技術和實施方案的選擇，提出了更高要求。

2.5 藥渣脫毒技術

藥渣脫毒即抗生素消除技術，將抗生素中的毒性脫除，主要有化學降解法和生物降解法。化學降解法，通過加入化學試劑使其失去活性，并加入酸堿溶劑破壞內部結構，而且酸堿濃度越高降解效果越明顯。該技術降解耗時短，效果好，但是操作復雜，成本高，還會產生大量廢水，對環(huán)境造成二次污染。孫宏麗等利用鹽酸處理土霉素藥渣的處理率達97%。馬玉龍等使用酸堿溶劑對泰樂菌素藥渣進行降解，研究發(fā)現(xiàn)酸堿對泰樂菌素均有降解作用，并且濃度越高降解越明顯。陳學軍使用酸堿溶劑對泰樂菌素進行降解，研究發(fā)現(xiàn)堿對泰樂菌素具有顯著的降解作用，而酸對泰樂菌素降解效果不大。因此可知，酸堿溶劑對不同抗生素藥渣具有不同的處理效果，實際采用該方法處理抗生素藥渣時需有效控制關鍵參數(shù)。

藥渣生物降解法是指利用抗生素藥渣作為微生物培養(yǎng)的營養(yǎng)物質，微生物在生長的過程中將藥渣中的有機物質分解礦化掉，從而達到降解抗生素的目的。生物降解法不僅操作簡單而且安全無毒性。許曉玲研究紅圓酵母對紅霉素降解情況，研究發(fā)現(xiàn)紅圓酵母能以紅霉素作為唯一生長碳源，當在pH值為5.5，反應48 h的條件下，紅圓酵母能對紅霉素實現(xiàn)完全降解。丁惠君探究了HBT和SA與漆酶混合對磺胺類抗生素的降解影響，實驗發(fā)現(xiàn)添加HBT對漆酶降解抗生素效果不大，添加SA對漆酶降解抗生素有作用，而且添加的濃度越高，對漆酶降解作用越明顯。因此，提高微生物的酶活性并加快微生物的代謝作用是目前抗生素藥渣生物降解的主要研究方向。

2.6 其他綜合利用技術

除了上文提到的抗生素藥渣處理技術外，近年來又有相關學者提出了一些其它的綜合處置技術。大量營養(yǎng)物質殘留在抗生素藥渣中，如從青霉素菌絲體中可以提取麥角固醇和殼聚糖，活性炭、重金屬離子吸附劑以及石膏緩凝劑的制備可以利用菌絲體。

周寶華等用青霉素藥渣為原料制備活性炭，活化劑為碳酸鉀，研究發(fā)現(xiàn)當活化劑與原料質量比為1∶3，在800℃下活化3 h，能得到7.1%的產物活性炭。陳黎等用熱裂解法處置妥布霉素藥渣，制備生物活性炭，研究發(fā)現(xiàn)活性碳具有多孔結構，而且表面含有豐富的官能團，能吸附重金屬和有機污染物。Tan等人用氫氧化鈉改性青霉素菌絲體吸附水中鎳離子，研究發(fā)現(xiàn)當吸附5 h后，可吸附260 mg/g。由于抗生素藥渣含水量較高，有學者提出用抗生素藥渣制備石膏緩凝劑。Ren等研究發(fā)現(xiàn)在pH=11的溶液中，當溫度為80℃時，制備出的青霉素菌絲石膏緩凝劑，與傳統(tǒng)緩凝劑相比，能延長石膏凝結時間，且不會對石膏的機械性能產生影響。主要抗生素藥渣資源化處置技術的特征以及主要優(yōu)缺點見表1。

表1 主要抗生素藥渣資源化處置技術對比Table 1 Comparison of the resource treatment technology of the main main antibiotic drug residue

劉波文等研究發(fā)現(xiàn)干青霉素菌絲體的熱值高達21.13 MJ/kg，其中含有大量有機物，含碳量為44.08%，于是將青霉素菌絲體炭化成活性炭，但制備活性炭前，需要先對菌絲體進行干燥處理，這不僅能耗大，成本高，而且炭化過程中容易產生焦油和尾氣等廢棄物。故而此方法并不具備普遍適用性，成本高和利用率低是其不可忽視的致命缺陷。所以抗生素藥渣基本沒有實現(xiàn)減量化，大量剩余藥渣仍需要進一步處置，這也可能是未來抗生素藥渣處置的研究方向。

3 結 語

由于抗生素的結構和性質不同，導致對藥渣資源化利用途徑也不盡相同。因此，先需要根據(jù)藥渣自身的性質進行分類，然后設計出不同資源化處理方法，目前對藥渣安全處置的最大技術難題是含水率高和抗生素殘留消除不徹底的問題。

當前國家已明令禁止把抗生素藥渣進行飼料化生產，而堆肥化技術會使抗生素在植物與微生物體內富集從而形成耐藥性，可能會導致潛在的生態(tài)風險?？股厮幵哪茉椿夹g是大規(guī)模解決抗生素藥渣處置問題的有效途徑之一，可以考慮將抗生素藥渣與其它高熱值燃料進行共燃共氣化處置，以便解決藥渣發(fā)熱量偏低帶來的高效熱轉化難題。直接填埋處置技術雖然操作簡單，成本較低，但極大占用土地，還存在污染地下水的隱患?；瘜W降解法技術操作復雜，且成本高，同時產生大量廢水，易對環(huán)境造成二次污染，但其降解效果好，耗時短。生物降解技術，利用微生物對抗生素藥渣進行降解，通過改造微生物的代謝和提高微生物的酶活性，是未來抗生素藥渣研究的熱點之一。

而綜合利用技術提取抗生素里的有用成分，如麥角固醇、核糖核酸、重金屬離子吸附劑等，雖然這些方法不具普遍適用性，且成本高，利用率低，但這可能是未來抗生素的主要研究方向。因此，針對不同抗生素藥渣的特點，選擇適合的抗生素藥渣處理處置技術，最大限度地實現(xiàn)無害化、減量化、資源化處理抗生素藥渣，對解決當前面臨的環(huán)境問題具有重要意義。