頭孢類抗生素廢水處理的研究進展

牛云霞 王昊

摘要：本文介紹了關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濟的發展有何意義。

關鍵詞：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。其作用的機理是抑制肽聚糖的合成，進而抑制病原菌細胞壁的形成，有效控制其生長繁殖。頭孢類抗生素的抗菌作用較強，而且對人體的不良反應較小，因此該類藥物是目前應用于人類醫學界與獸醫界臨床中治療感染性疾病最為廣泛的一類。人類生產和生活的濫用，加之抗生素制作工藝復雜，每一步的廢水處理不當都會造成其在環境中的殘留。而且頭孢類抗生素廢水具有成分復雜、有機物含量高、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生耐藥性甚至毒性，對環境的影響及其嚴重。因此頭孢類抗生素廢水的處理對社會的長遠發展具有重要意義。

2 處理方法

抗生素廢水常用的處理方法包括五類，物理法、化學法、生物法、人工濕地法和聯合處理法。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。化學法包括氯化法、電化學法和高級氧化法。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，此時化學需氧量（COD）的去除率可達57.35%。通過在水中產生大量細微的氣泡，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，經過蒸發混凝以及氣浮的預處理后，COD的去除率達到了90%。李英采用序批式活性污泥法處理頭孢菌素C鈉鹽的發酵廢水實驗中，廢液經沉淀氣浮等預處理后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象叫做吸附。趙英杰的金屬有機框架（PCN-222）吸附頭孢拉定的實驗中，其吸附飽和容量能夠達到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，經過兩次離子交換后頭孢菌素的回收率能夠達到75%左右，并且純度高，可達90%以上。微波具有選擇性加熱的特性，甚至可以產生熱效應。通過微波輻射可以使物質產生熱量，從而達到改變其內部結構的目的。Chen[3]等人利用微波輻射技術處理頭孢菌素，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99.9%以上。該結論為實際生產應用提供了實驗基礎。

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。膜過濾法處理醫療廢水時容易造成膜污染，導致運營成本過高。吸附法成本低、操作簡單，但這種方法會產生污泥和二次（有毒）物質。

2.2 化學法

氯氣與氨反應生成氮氣的過程就是氯化法。魏東斌[4]使用氯化法對目標化合物頭孢曲松進行氯化消毒的實驗結果表明，頭孢曲松與氯可發生氯化和氧化兩大反應，噻唑環變成氯代物，從而達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，，頭孢他啶初始質量濃度1 mg·L-1，離子強度1 g·L-1，pH為6的反應條件下，反應1小時，頭孢他啶的去除效率可達90%以上，且該降解過程不可逆。電化學法具有絮凝、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物可分解為低分子有機物，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，給出了降解的最優操作參數，通過液相色譜-質譜監測出降解的中間產物，并提出了降解的主要途徑。敖蒙蒙[8]臭氧氧化β-內酰胺類抗生素，該降解過程易受pH影響，實驗結果表明β-內酰胺類抗生素的降解與羥基自由基（·OH）有關。韓姍山[6]采用強化電芬頓技術降解頭孢哌酮，揭示了降解機理及降解過程中實驗的優化條件。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，催化效率穩定，且實驗成本相對較低，不足之處是電化學消耗的能量多。

2.3 生物法

生物法是利用微生物降解代謝有機物為無機物來處理廢水。馬曉力[10]采用厭氧折流板反應器降解頭孢類抗生素廢水，進水濃度為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器（MBR）處理頭孢類抗生素，當污泥濃度在6000mg/L-10000mg/L，污泥齡在40-50天時，COD去除率能在90%以上，與傳統的活性污泥法相較，膜生物反應器更具優越性。盧歡采用上流式污泥床過濾器處理高濃度頭孢噻肟鈉，該反應器加入組合填料處理效果最好，且在最優工藝條件下COD去除率可達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。系統中的植物能夠吸附金屬及一些有害物質，很多植物還能參與解毒過程，對污染物質進行吸收、代謝、分解，實現水體凈化。Diogo首先培養人工濕地微生物接種物，然后用接種物處理頭孢噻呋（CEF），經過5個月的研究發現，非生物機制對CEF的去除影響很大，并指出生物降解可能是受試化合物環境去除的重要機制。Filipa利用人工濕地基質系統處理頭孢噻呋，經過18周的觀察研究，頭孢噻呋的去除率能達到85%以上，并對細菌群落進行了測序，結果顯示細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 聯合處理法

單一的處理方式可能達不到去除效果，因此聯合處理法應運而生。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電級的優越性能，推導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-好氧聯合的方法處理頭孢類抗生素廢水，使得出水水質達到了排放標準，該研究還詳細介紹了實驗的設計參數以及運行機制。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器的組合技術降解高濃度的頭孢類抗生素廢水，經過3個階段的處理后，去除率能夠穩定在80%左右，此時出水水質已達排放標準。宋現財[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取得一些成效，但是保護好環境是一項持久戰，時時刻刻都不能放松警惕。“我不是藥神”的現象已不是個例，國家應認真衡量經濟與環境的關系。廢水不達標就偷偷排放到河流的現象也是屢見不鮮，抗生素生產企業應提高社會責任感，政府更應做好監督，杜絕這種事情的發生。在這個醫療服務相對優質的時代，每個人都應謹遵醫囑，按量購買，拒絕過度消費。而單一的處理形式很難達到制藥工業水污染物排放標準，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鍵。

參考文獻

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[2]田玨，胡翔.外加電場強化生物膜工藝去除水中頭孢他啶[J].環境科學與技術，2014，37（02）：111-118.

[3]Chen Cai， Huiling Liu， Bing Wang. Performance of microwave treatment for disintegration of cephalosporin mycelial dreg （CMD） and degradation of residual cephalosporin antibiotics[J]. Journal of Hazardous Materials， 2017， 331， 265-272.

[4]魏東斌，李立平，杜宇國.頭孢曲松氯化消毒轉化產物鑒定及機理研究[J].環境化學，2013（7）：1328-1334. DOI：10.7524/j.issn.0254-6108.2013.07.028.

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[7]Lei Jiawei， Duan Pingzhou， Liu Weijun， et al. Degradation of aqueous cefotaxime in electro-oxidation-electro-Fenton-persulfate system with Ti/CNT/SnO2-Sb-Er anode and Ni@NCNT cathode[J]. Chemosphere， 2020， 250， 126163.

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[9]姜友蕾，姜棟，宋雅建，楊鵬，楊海亮，馬三劍.UASB-絮凝-SBR處理高含量頭孢類抗生素廢水[J].水處理技術，2012，38（10）：65-69.

[10]宋現財，劉東方，張國威，于潔.Fenton/SBR深度處理頭孢類制藥廢水二級生化出水[J].工業水處理，2013，33（04）：28-30.

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，學歷：研究生，學校：（華北理工大學），學校：華北理工大學，，研究方向：水處理技術。