頭孢類制藥廢水中有機污染物的去除特性

孔瑜，顧衛華，段鋒，張西華，趙赫

（1 上海第二工業大學電子廢棄物研究中心，資源循環科學與工程中心，上海電子廢棄物資源化協同創新中心，上海201209；2 中國科學院過程工程研究所環境技術與工程研究部，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研究中心，北京100190）

頭孢類抗生素是將發酵得到的天然頭孢菌素C 經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 的側鏈進行修飾后，合成的具有β-內酰胺環的一類抗生素[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，頭孢類抗生素生產和使用量也逐漸增大，據統計，大多數國家的β-內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，由于工業化的生產過程帶來相應的環境問題，頭孢類抗生素多采用半化學合成的生產方式，產生的廢水中可能含有各種有機溶劑、催化劑、原料、反應中間體，這使得它們的處理過程變得復雜[5]。抗生素生產廢水經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物[6-7]，這些物質在環境中的遷移轉化導致了抗藥性細菌（ARBs）和基因（ARGs）的產生，可能對人類和動物的健康構成嚴重威脅[8-9]。因此，污水處理廠成為環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的水污染排放標準，其中污染控制指標有化學需氧量（COD）、氨、pH 等常規指標，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及處理后產生的污染因子。目前關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，關于頭孢類抗生素廢水的成分分析，只關注進出水中的物質和種類[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生的有機物質的潛在毒性還缺乏一定的認識。

本研究針對國內某大型藥企的頭孢類抗生素廢水處理工藝，各處理環節廢水的常規指標和殘留抗生素進行分析，采用液液萃取預處理手段結合氣相色譜-質譜聯用（GC-MS）對有機物進行全面定性分析。研究結果可對現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生的特征有機物質，并對頭孢類污水處理工藝的優化提供數據支持。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

二氯甲烷，色譜純，天津光復科技發展有限公司；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-質譜聯用儀，美國Agilent 公司；1200 Infinity Series 型高效液相色譜儀，美國Agilent 公司；5B-3B(V8)型多參數水質測定儀，蘭州連華環保科技公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品來源及取樣點

水樣取自國內某大型藥企抗生素制藥廢水綜合污水處理廠，該企業以生產頭孢唑啉鈉為主。污水廠采用預處理+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節池1、高濃度廢水水解酸化池1、綜合廢水調節池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處理單元進水和出水，③、④、⑤和⑥取樣點分別為綜合調節池出水、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 或者濃硫酸依次調節水樣至中性（pH=7）、酸性（pH＜2）、堿性（pH＞12），經過二氯甲烷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。質譜條件：全掃描模式，質量數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 結果與討論

2.1 常規污染物去除效果分析

各取樣點測定的常規污染物的水質指標見表1。

圖2 各處理單元對污染物的去除率

表1 常規水質指標

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，這些有機物質可以通過微生物和吸附的方式進行降解或者轉移至污泥相中[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的代謝產物。總體上，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結果見表2，經過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。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、雜環類、醛酮類、醇醚類10 類物質，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結果

續表2

各取樣點出水中的有機物種類分布見表3，在預處理單元酸酯類、胺類和雜環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生產中作為有機溶劑或原料使用。經過水解酸化單元后，酸酯類、胺類和雜環類有機物的種類減少，預處理單元檢出的醚醇類有機物沒有出現，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物[16]。缺氧單元出水中胺類、雜環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和醛酮、醇醚類有機物的比例上升。總體上，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，在預處理單元酸酯類、胺類、酰胺類、雜環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生產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類有機物的相對豐度所占比例仍然較高，與預處理單元相比，所占比例為64%～67%和16%～19%，保持穩定。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過處理后形成的代謝產物或中間體。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，仍需要關注其后續的遷移轉化過程。

在檢測出的上述有機物中，三氯甲烷、苯酚[17]屬于水中優先控制的污染物。頭孢類制藥廢水經一系列處理后，總出水中仍含有三氯甲烷，其與1,2-二氯乙烯屬于《地下水質量標準》（GB/T 14848—2017）中規定需測定的毒理學指標[18]。此外，雜環類物質中的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境帶來污染風險。

圖4 各取樣點出水有機物相對豐度

3 結論

本研究基于經處理后的頭孢類抗生素廢水，通過對其處理過程相關取樣點常規水質指標和有機物質的全面分析，可以得出如下主要結論。

（1） 頭孢類抗生素廢水經處理后COD、TOC、氨氮、總氮、總磷、pH 等常規水質指標的排放限值滿足《化學合成類制藥工業水污染物排放標準》（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，其中酸酯類、雜環類、胺類物質所占比例較高。

（2）通過對頭孢類污染物的去除特性進行研究發現，該污水處理廠采用的“預處理+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-噻二唑等代謝產物，盡管目前并沒有被相關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，仍需要關注其排放含量和遷移轉化過程，同時急需優化現有工藝，增加深度處理過程，強化有機物的深度去除。