頭孢類抗生素廢水處理的研究進(jìn)展

牛云霞 王昊

摘要：本文介紹了關(guān)于頭孢類抗生素的一些研究，包括抗生素廢水的來源，特點，危害，處理方式以及處理抗生素廢水對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有何意義。

關(guān)鍵詞：頭孢類抗生素;來源;危害;處理方式;意義

1 引言

頭孢類抗生素可分為四代，對各類病原菌均有抑制和殺滅的作用，即抗菌范圍廣。其作用的機(jī)理是抑制肽聚糖的合成，進(jìn)而抑制病原菌細(xì)胞壁的形成，有效控制其生長繁殖。頭孢類抗生素的抗菌作用較強(qiáng)，而且對人體的不良反應(yīng)較小，因此該類藥物是目前應(yīng)用于人類醫(yī)學(xué)界與獸醫(yī)界臨床中治療感染性疾病最為廣泛的一類。人類生產(chǎn)和生活的濫用，加之抗生素制作工藝復(fù)雜，每一步的廢水處理不當(dāng)都會造成其在環(huán)境中的殘留。而且頭孢類抗生素廢水具有成分復(fù)雜、有機(jī)物含量高、毒性大、懸浮固體（SS）濃度高等特點。不僅如此，長期存在于河流或土壤中會使微生物產(chǎn)生耐藥性甚至毒性，對環(huán)境的影響及其嚴(yán)重。因此頭孢類抗生素廢水的處理對社會的長遠(yuǎn)發(fā)展具有重要意義。

2 處理方法

抗生素廢水常用的處理方法包括五類，物理法、化學(xué)法、生物法、人工濕地法和聯(lián)合處理法。其中物理法包括微波輻射法、過濾法、氣浮法、吸附法、膜分離法和離子交換法。化學(xué)法包括氯化法、電化學(xué)法和高級氧化法。高級氧化法又包括臭氧氧化法、光催化氧化法、電催化氧化法、芬頓氧化法。生物法包括活性污泥法、膜生物反應(yīng)器法和厭氧法。

2.1 物理法

在頭孢類抗生素廢水的處理中，混凝沉淀、氣浮法等一般作為預(yù)處理過程。向水體中加入混凝劑或助凝劑，使水體中難以沉淀的顆粒聚合為絮凝體而下沉的過程稱為混凝沉淀。蔡雪成的芬頓氧化處理頭孢抗生素廢水的實驗中，第一階段加入聚合氯化鋁混凝劑，此時化學(xué)需氧量（COD）的去除率可達(dá)57.35%。通過在水中產(chǎn)生大量細(xì)微的氣泡，這些氣泡能夠黏附懸浮粒子，懸浮粒子密度小，氣浮到水面形成泡沫浮渣的方法叫做氣浮法。趙艷[1]等人采用曝氣生物濾池法處理頭孢類抗生素低鹽分廢水時，經(jīng)過蒸發(fā)混凝以及氣浮的預(yù)處理后，COD的去除率達(dá)到了90%。李英采用序批式活性污泥法處理頭孢菌素C鈉鹽的發(fā)酵廢水實驗中，廢液經(jīng)沉淀氣浮等預(yù)處理后SS懸浮物得到去除，并且色度明顯降低。

流體與多孔固體接觸時，流體中的成分在固體表面蓄積的現(xiàn)象叫做吸附。趙英杰的金屬有機(jī)框架（PCN-222）吸附頭孢拉定的實驗中，其吸附飽和容量能夠達(dá)到333.33mg g-1，吸附效果顯著。固體離子交換劑中的離子與稀溶液中的離子進(jìn)行交換從而去除溶液中某些離子的過程叫做離子交換法。田玨[2]使用加電場的生物膜降解頭孢他啶的實驗中，頭孢他啶去除率可達(dá)90.76%。賈佳利用陰離子交換樹脂回收頭孢菌素吸附余液中的殘留菌素，經(jīng)過兩次離子交換后頭孢菌素的回收率能夠達(dá)到75%左右，并且純度高，可達(dá)90%以上。微波具有選擇性加熱的特性，甚至可以產(chǎn)生熱效應(yīng)。通過微波輻射可以使物質(zhì)產(chǎn)生熱量，從而達(dá)到改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的目的。Chen[3]等人利用微波輻射技術(shù)處理頭孢菌素，照射溫度為100℃，照射15分鐘時，頭孢菌素菌絲渣被完全破壞，且殘留的頭孢類抗生素幾乎被全部降解，去除率高達(dá)99.9%以上。該結(jié)論為實際生產(chǎn)應(yīng)用提供了實驗基礎(chǔ)。

微波輻射法污染物去除率高，無二次污染，但是其控制因素多，無法大規(guī)模投入使用。過濾并不總是足以滿足排放限制。膜過濾法處理醫(yī)療廢水時容易造成膜污染，導(dǎo)致運(yùn)營成本過高。吸附法成本低、操作簡單，但這種方法會產(chǎn)生污泥和二次（有毒）物質(zhì)。

2.2 化學(xué)法

氯氣與氨反應(yīng)生成氮氣的過程就是氯化法。魏東斌[4]使用氯化法對目標(biāo)化合物頭孢曲松進(jìn)行氯化消毒的實驗結(jié)果表明，頭孢曲松與氯可發(fā)生氯化和氧化兩大反應(yīng)，噻唑環(huán)變成氯代物，從而達(dá)到去除頭孢曲松的目的。胡翔利用碳納米管電解頭孢他啶，在電壓15V，電級間距1 cm，，頭孢他啶初始質(zhì)量濃度1 mg·L-1，離子強(qiáng)度1 g·L-1，pH為6的反應(yīng)條件下，反應(yīng)1小時，頭孢他啶的去除效率可達(dá)90%以上，且該降解過程不可逆。電化學(xué)法具有絮凝、氣浮、氧化和微電解的作用。在電流的作用下，廢水中的高分子有機(jī)物可分解為低分子有機(jī)物，甚至直接被氧化為CO2和H2O。Duan[5]等人使用Ti/SnO2的電極降解低濃度頭孢他啶，給出了降解的最優(yōu)操作參數(shù)，通過液相色譜-質(zhì)譜監(jiān)測出降解的中間產(chǎn)物，并提出了降解的主要途徑。敖蒙蒙[8]臭氧氧化β-內(nèi)酰胺類抗生素，該降解過程易受pH影響，實驗結(jié)果表明β-內(nèi)酰胺類抗生素的降解與羥基自由基（·OH）有關(guān)。韓姍山[6]采用強(qiáng)化電芬頓技術(shù)降解頭孢哌酮，揭示了降解機(jī)理及降解過程中實驗的優(yōu)化條件。盧歡等電催化氧化頭孢噻肟鈉，通過正交實驗給出了降解的最有操作條件，并通過傅里葉紅外光譜分析了降解的基本途徑。

臭氧催化氧化法實驗條件相對惡劣，光催化氧化法太陽能利用率低，芬頓催化氧化法實驗過程會形成污泥，電催化氧化法操作簡單，無二次污染，催化效率穩(wěn)定，且實驗成本相對較低，不足之處是電化學(xué)消耗的能量多。

2.3 生物法

生物法是利用微生物降解代謝有機(jī)物為無機(jī)物來處理廢水。馬曉力[10]采用厭氧折流板反應(yīng)器降解頭孢類抗生素廢水，進(jìn)水濃度為2.67-3.0kg/（m3d），溫度在35℃左右時，COD的去除率為50%。干建文等采用膜生物反應(yīng)器（MBR）處理頭孢類抗生素，當(dāng)污泥濃度在6000mg/L-10000mg/L，污泥齡在40-50天時，COD去除率能在90%以上，與傳統(tǒng)的活性污泥法相較，膜生物反應(yīng)器更具優(yōu)越性。盧歡采用上流式污泥床過濾器處理高濃度頭孢噻肟鈉，該反應(yīng)器加入組合填料處理效果最好，且在最優(yōu)工藝條件下COD去除率可達(dá)86.49%。

生物法處理高濃度廢水效果顯著，缺點是操作時間長，反應(yīng)慢，不能將污染物全部去除。

2.4 人工濕地法

人工濕地，就是指人為影響、施工形成的濕地系統(tǒng)。系統(tǒng)中的植物能夠吸附金屬及一些有害物質(zhì)，很多植物還能參與解毒過程，對污染物質(zhì)進(jìn)行吸收、代謝、分解，實現(xiàn)水體凈化。Diogo首先培養(yǎng)人工濕地微生物接種物，然后用接種物處理頭孢噻呋（CEF），經(jīng)過5個月的研究發(fā)現(xiàn)，非生物機(jī)制對CEF的去除影響很大，并指出生物降解可能是受試化合物環(huán)境去除的重要機(jī)制。Filipa利用人工濕地基質(zhì)系統(tǒng)處理頭孢噻呋，經(jīng)過18周的觀察研究，頭孢噻呋的去除率能達(dá)到85%以上，并對細(xì)菌群落進(jìn)行了測序，結(jié)果顯示細(xì)菌可能對頭孢噻呋的去除起到積極作用。

人工濕地法建造運(yùn)營成本低，處理效果好，但是其占地面積大，受病蟲害影響。

2.5 聯(lián)合處理法

單一的處理方式可能達(dá)不到去除效果，因此聯(lián)合處理法應(yīng)運(yùn)而生。Lei[7]等人利用電氧化電芬頓過硫酸鹽體系降解頭孢噻肟鈉，證實了Ti/CNT/SnO2-Sb-Er電級的優(yōu)越性能，推導(dǎo)了降解的主要中間體，分析了頭孢噻肟鈉的降解途徑。張志海[8]等人利用芬頓-厭氧-好氧聯(lián)合的方法處理頭孢類抗生素廢水，使得出水水質(zhì)達(dá)到了排放標(biāo)準(zhǔn)，該研究還詳細(xì)介紹了實驗的設(shè)計參數(shù)以及運(yùn)行機(jī)制。姜友蕾[9]等人采用上流式厭氧污泥床-絮凝-序批式活性污泥法反應(yīng)器的組合技術(shù)降解高濃度的頭孢類抗生素廢水，經(jīng)過3個階段的處理后，去除率能夠穩(wěn)定在80%左右，此時出水水質(zhì)已達(dá)排放標(biāo)準(zhǔn)。宋現(xiàn)財[10]等人采用芬頓-序批式活性污泥法組合工藝處理頭孢類抗生素廢水的二級生化出水，經(jīng)過兩個階段的處理，出水COD能夠降到40.3mg/L，滿足排放要求。

3 展望

目前，頭孢類抗生素廢水的處理已經(jīng)取得一些成效，但是保護(hù)好環(huán)境是一項持久戰(zhàn)，時時刻刻都不能放松警惕?！拔也皇撬幧瘛钡默F(xiàn)象已不是個例，國家應(yīng)認(rèn)真衡量經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的關(guān)系。廢水不達(dá)標(biāo)就偷偷排放到河流的現(xiàn)象也是屢見不鮮，抗生素生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)提高社會責(zé)任感，政府更應(yīng)做好監(jiān)督，杜絕這種事情的發(fā)生。在這個醫(yī)療服務(wù)相對優(yōu)質(zhì)的時代，每個人都應(yīng)謹(jǐn)遵醫(yī)囑，按量購買，拒絕過度消費(fèi)。而單一的處理形式很難達(dá)到制藥工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，尋求清潔高效、低成本的水處理方式仍是今后需要深入研究的關(guān)鍵。

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作者簡介：

姓名：牛云霞，性別：女，出生年月：1994.12，民族：漢，籍貫：河北省辛集市，學(xué)歷：研究生，學(xué)校：（華北理工大學(xué)），學(xué)校：華北理工大學(xué)，，研究方向：水處理技術(shù)。