自从20世纪40年代青霉素被广泛应用于临床医疗以来，抗生素在减少疾病痛苦、延长人类寿命方面发挥了无法替代的作用。目前用于临床上的抗生素药物达数千种，其中产能和需求量最大的为发酵类抗生素原料药，主要包括β-内酰胺类、四环类、氨基糖苷类、大环内酯类等9大类。目前，我国生产抗生素的企业多达300余家，生产的抗生素品种超过70个，抗生素产量占到世界总产量的20%~30%，是临床上需求量最大的β-内酰胺类、四环类和氨基糖苷类等9种发酵类抗生素药物的主要生产基地，部分产品如红霉素、盐酸强力霉素和头孢菌素类产品的产量位居全球第一。抗生素生产在我国国民经济中扮演着极其重要的角色。
发酵类抗生素生产过程大致分为发酵、过滤、提取和精制等几步主要工序。由于其生产特点，原料利用率低，抗生素生产废水成分复杂，含有大量有机物、硫酸盐和高浓度抗生素及相关物质残留(主要是某些具有抑菌效应的异构体或水解与降解中间产物)。例如土霉素发酵废母液化学需氧量(COD)、氨氮和硫酸盐分别为15 000~35 000、500~1 600和2 000 mg·L-1，残留土霉素含量为500~1 000 mg·L-1。同时，抗生素废水排放量大，生产每吨抗生素的基准排水量达500~6 500 m3。
目前，发酵类抗生素废水处理的主体工艺均使用生物技术，通常包括厌氧、缺氧和好氧3个处理单元。废水中残留的高浓度抗生素对微生物存在很强的抑制作用，使得高浓度的抗生素废水的处理成为一个难题：首先是其复杂的水质条件，特别是某些残留抗生素及相关物质影响下的生物处理效果不稳定，造成大量抗生素废水处理设施的出水COD和氨氮等指标难以满足《发酵类制药工业水污染物排放标准》，成为行业发展的重大挑战;其次是高残留抗生素及相关物质胁迫下废水生物处理中抗生素抗药菌和耐药基因的产生与排放的环境安全问题。作为世界上最大的抗生素生产国之一，含有高浓度抗生素的生产废水生物处理系统可能成为抗药基因的潜在污染源，使我国面临较大的抗生素生产过程污染排放导致的耐药基因传播风险。可见，如果能够在废水生物处理之前去除抗生素及相关物质残留可以保障抗生素生产废水生物处理效果和阻断耐药基因产生排放。尽管目前水中抗生素的去除技术已经有很多研究，特别是近年来基于臭氧、Fenton等的各种氧化或者高级氧化技术能够从纯水或者模拟水体系中高效去除抗生素，然而如何从组成非常复杂的抗生素废水中高效选择性去除残留抗生素及其相关物质仍然是一个技术挑战。
笔者及其所在课题组是国际上最早关注抗生素生产过程中高浓度抗生素及抗药基因排放问题的研究小组之一，近10年来，在国家自然科学基金、科技部863课题、国际合作等项目的支持下，致力于发酵类抗生素废水特征污染物——抗生素和耐药基因的识别、转化和控制研究。发现抗生素生产废水处理系统出水和剩余污泥是抗生素、耐药菌和耐药基因排放的一个重要来源;开发了强化催化水解等预处理、酵母菌预处理、高温和超高温厌氧技术进行废水和剩余污泥(菌渣)中抗生素的选择性去除和耐药基因的控制，在河北某制药厂进行了四环素类抗生素废水处理的强化催化水解预处理和厌氧生物处理耦合的现场中试验证，在无锡某制药厂建立了包括酵母菌预处理-常规生物处理-高级氧化的大环内酯类废水处理示范工程，为解决行业废水难题提供了技术基础。
在前期工作的基础上，本文首先提出高浓度抗生素生产废水残留抗生素的处理技术控制目标，进而综述了水中抗生素去除的生物和物化技术研究进展，最后提出关于废水生物处理之前进行抗生素选择性去除的预处理技术方案，对未来的技术发展方向提出了建议。
1 废水处理目标——废水残留抗生素效价的去除
水中的抗生素作为新型污染物具有潜在的环境风险，但至今为止，世界各国均没有针对抗生素和抗药基因制定具体的排放标准。而水处理技术的研究开发和应用需要首先明确抗生素的处理目标，目前评价抗生素的处理效果主要是利用仪器方法(例如液相色谱或者超高效液相色谱-串联质谱仪)测定抗生素母体的浓度的变化。实际上，抗生素废水的处理目标不仅仅是降低抗生素的浓度，更重要的是去除抗生素废水中的抗生素的抗菌活性，即“效价”。废水中残留的效价物质既包括抗生素废水中的抗生素母体，也包括一些仍具有抑菌活性的中间产物、前驱体或者生产副产物;此外，还包括经过物化或者生物降解等过程后保留抑菌活性的中间转化产物。因此，仅利用仪器方法测定抗生素母体的浓度可能会低估废水中的抗生素及可能具有抑菌活性的相关物质。实际上，这些具有抗菌活性的抗生素转化产物仍然会影响生物处理系统微生物群落结构，还会对环境中的微生物产生选择压力，促进细菌耐药性的产生和传播。
在药典中，抗生素中有效成分的效力，以“效价”表示活性单位，用于药品制剂等的纯度检验。在抗生素的环境行为和去除技术研究中，由于抗生素在环境中经过水解、光解、氧化等过程产生的产物可能仍保留抑菌活性，因此，抗生素的抑菌活性在环境过程，尤其是涉及到降解产物产生的过程中的检测已经受到关注。例如，HALLING等采用培养方法通过计算半数效应浓度(EC50，mg·L-1)结合物质浓度分析评价几种抗生素(如土霉素、泰乐菌素、链霉素等)在土壤间隙水、活性污泥-水体系中的好氧和厌氧稳定性。在研究臭氧、光催化、光解等对水中抗生素的去除效果时，也有研究利用分离培养和比浊法进行处理前后抗生素抑菌能力变化的评价。综上所述，目前的研究主要采用平板计数法和比浊法来评价抗生素溶液在环境过程中的抑菌能力的变化，通常针对受试菌株E.coli和Bacillus subtilis等。相对传统分离培养方法，比浊法方便快速，具有很好的实用性，然而传统的固定生长时间比浊法(fixed growth time turbidimetry)影响因素多，难以获得很好的重复性。同时，已有研究均采用EC50、半数最小抑菌浓度(MIC50)或者抑制率等来进行抗生素抑菌活性的表征，难以有效评价环境样品中不同物质对残留效价的贡献。
在笔者课题组的前期工作中，利用药典中抗生素“效价”的概念，建立了一套普适性的基于实时比浊法(real-time turbidimetry)的抗生素生产废水效价测定方法，相对传统的固定生长时间比浊法(相对标准偏差(RSD)为5.62%~11.29%)，该方法的RSD可以降低至1%左右。同时，通过比较待测水样和抗生素标准参照物质对标准菌株(金黄色葡萄球菌或者大肠杆菌等)的抑制来评价抗生素生产废水中抗生素及其相关物质的残留效价，采用相对应的抗生素母体效价当量(EQ，mg·L-1)表征了废水中包括该抗生素母体及相关物质的抑菌活性，可以评估抗生素废水中的中间产物对效价的贡献。利用该方法评估了土霉素和螺旋霉素生产废水处理系统的残留效价，发现土霉素废水的土霉素效价当量与测得的土霉素浓度基本一致，说明土霉素是废水中抗菌效价的主要贡献者;而螺旋霉素废水的螺旋霉素效价当量显著高于螺旋霉素浓度，说明螺旋霉素废水中存在除了螺旋霉素本身之外的其他物质贡献废水效价，螺旋霉素的转化产物新螺旋霉素的效价占13.2%~22.9%，废水的残留效价仍然高于其中螺旋霉素和新螺旋霉素贡献的效价之和，还存在9.09%~60.3%的未知效价物质，需要进一步探索。利用废水中抗生素效价指标来评价废水中所有具有抗菌活性的物质有望成为环境管理的重要工具。因此，为了评价废水抗生素控制技术的效能，在利用仪器分析评价抗生素母体物质浓度削减效果的同时，还需要综合考虑废水中抗生素残留效价的变化。
2 生物处理技术对水中抗生素的去除
目前，发酵类抗生素废水处理的主体工艺均使用生物技术，通常包括厌氧、缺氧和好氧3个处理单元。厌氧处理的主要目的是削减大量COD，并提高有机物的可生化性;好氧主要是进一步降低COD，并对氨氮进行硝化;缺氧处理则主要是进行反硝化脱氮。
表 1总结了厌氧、好氧和厌氧-好氧组合等工艺对不同种类抗生素废水的去除效果。CHELLIAPAN等发现，厌氧能够去除制药废水中70%~75% COD，泰乐菌素的去除率也能达到95%。但是，DORIVAL-GARC等研究发现厌氧处理对模拟配水中的氟喹诺酮类抗生素(进水0.5 mg·L-1)几乎无法去除。YANG等[33]研究表明好氧活性污泥在11~13 d左右能够将合成的模拟配水中100 μg·L-1的磺胺类抗生素完全降解。GUO等通过水相和泥相中抗生素的检测，发现当阿莫西林的浓度为250 mg·L-1时，活性污泥对其的去除率为88.79%，当阿莫西林的浓度为650 mg·L-1时完全无法去除。LI等发现某制药厂抗生素生产废水采用SBR生物接触氧化两级好氧处理经稀释之后的土霉素生产废水，生物处理的出水浓度最高达到了19.5 mg·L-1以上。YI等通过厌氧抑制评价实验发现，当800~1 000 mg·L-1的土霉素实际废母液进入厌氧系统时会造成系统崩溃，产甲烷被完全抑制。
表1 常见的生物处理工艺对抗生素去除和特点
需要指出的是生物处理对不同类型的抗生素处理效果差异明显。此外，某些类型的抗生素(如四环素和土霉素)虽然出水浓度降低，但是实际上大量被吸附在污泥中，仍然存在随着剩余污泥外排的环境风险。同时，由于抗生素针对的目标本身就是细菌，利用以细菌为主体的常规生物处理技术进行抗生素的降解难度很大，而且会导致在水处理过程中产生大量的抗药基因。综上所述，生物处理技术处理成本低，是目前抗生素废水处理的主流技术，然而在处理高浓度抗生素生产废水时由于抗生素效价残留造成生物处理效果不稳定，同时可能导致大量耐药基因的产生和排放。因此, 如何在生物处理之前，利用物理化学技术选择性去除废水中残留抗生素及相关物质(残留效价)是解决抗生素废水处理难题的关键。
3 物化技术对水中抗生素的去除
目前，常用的抗生素的物化处理技术有混凝、吸附、膜滤、氧化技术(氯化、芬顿、臭氧、光催化和电化学氧化等)等。表 2总结了这些技术和工艺对抗生素的去除效果和特点。总的来说，混凝、吸附和膜滤属于物理处理技术，对部分抗生素有良好的处理效果，并且不会产生有毒的中间产物，但是仅仅是将抗生素转移到另一个相中，没有在真正意义上去除抗生素;氧化技术属于化学处理技术，虽然对很多抗生素有很好的处理效果，但是没有选择性，耗能和成本也相对较高，强化催化水解技术利用了大多数抗生素容易水解的特性，能够选择性地去除大部分种类的抗生素。
NAVALON等研究了ClO2对3种β-内酰胺(阿莫西林，头孢拉啶和盘尼西林)氧化效果，发现盘尼西林与ClO2反应较慢，需要2 h才能实现降解，而阿莫西林和头孢拉啶与ClO2反应非常快(两者都具有酚基)，接触1 min就可以实现降解，且ClO2对盘尼西林的反应性随pH降低而增强，对阿莫西林和头孢拉啶则呈相反趋势。NaClO也被报道能够去除92%的红霉素。
很多研究表明，臭氧能够有效处理不同类型的抗生素，包括大环内酯类，喹诺酮类，β-内酰胺类，磺胺类，四环素，氨基糖苷类等。臭氧氧化可以选择以下2种方式与水中的抗生素进行反应：一种是在酸性条件下通过分子O3进行氧化，这种方式需要根据反应物的化学结构选择性地进行反应;另一种是在碱性条件下主要由O3分解产生的羟基自由基与有机物进行反应。此外，臭氧氧化技术还可以显著降低抗生素溶液的某些生态毒性指标，但是也有报道表明臭氧氧化技术对某些类型抗生素氧化产生的代谢产物综合毒性要比母体物质高，这些差异和所研究的不同类型抗生素被氧化的过程有关。
利用Fenton或者光催化Fenton处理抗生素废水的研究也比较多，ARSLAN-ALATON等研究类Fenton降解盘尼西林，在其优化条件下(初始COD 600 mg·L-1，1.5 mmol·L-1 Fe3+，25 mmol·L-1H2O2)，可获得56%的COD去除率和46%的TOC去除率。PEREZ-MOYA等研究Fenton降解磺胺类药物，结果表明在600 mg·L-1 H2O2, 50 mg·L-1 Fe2+条件下，氧化2 min磺胺甲嘧啶被全部去除，TOC的去除也达60%。ELMOLLA等研究光Fenton降解阿莫西林等β-内酰胺类抗生素时发现，这些抗生素在pH=5，紫外光6 W(365 nm)，1.0 g·L-1 TiO2 催化条件下至少可以降解81%。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
抗生素的物化处理技术层出不穷，但是有很大一部分都是基于模拟配水的研究，关于实际高浓度抗生素生产废水的处理的报道很少。LI等利用反渗透和超滤膜处理并回收了浓度为1 000 mg·L-1的土霉素废母液(COD=10 000 mg·L-1)，利用反渗透技术，去除了98%的COD，同时土霉素被去除了87.5%;进而利用超滤膜，使土霉素的回收率为60%，纯化率超过80%，然而存在成本高和膜容易污染的问题。笔者所在的课题组利用O3处理了浓度为702 mg·L-1的土霉素废母液，去除率可以达到92%，并且将O3前处理与生物处理系统耦合，发现抗药菌的比例、tet基因和Ⅰ型整合子与O3预处理相比得到了削减;然而，由于废母液中存在大量共存物质，处理实际废水时的O3消耗量比较大。综上所述，在各种物化处理技术中，O3、Fenton等高级氧化技术能够有效去除大部分的抗生素，可以用于生物处理之后去除残留的抗生素，阻断环境排放，然而由于这些技术不具有选择性，难以用于生物处理之前的抗生素预处理。
4 高浓度废水中抗生素的源头选择性去除技术
如上所述，抗生素可促进抗药基因在环境中的传播，采用常规生物处理技术处理含抗生素废水会导致大量耐药基因的产生和排放。因此，在废水进入生物处理系统之前对抗生素加以控制，是防止抗生素及抗药基因环境污染的关键。一般来说，抗生素在废水污染物中占的相对比例低，采用上述基于自由基反应的化学氧化等方法虽然可以有效去除模拟配水中或者高浓度废水中的某些类型抗生素，但实际应用困难。因此，需要建立直接作用于抗生素药效功能团(效价)的含抗生素废水预处理技术。
四环素类、β-内酰胺类等发酵类抗生素的药效官能团都具有容易水解的特性。例如四环素类抗生素生物活性结构包括氢化并四苯的四环结构、二甲胺基和酰胺基等活性基团，同时结构中含有酚羟基及烯醇基。在碱性条件下，酚羟基会转化为酚盐，酰胺会水解为羧酸盐，C环会发生开环反应生成含内酯结构的异构体;在酸性条件下，A环上二甲胺会转化为季铵阳离子，发生差向异构化，形成4-差向四环素。通常条件下抗生素的水解速度非常缓慢，水解半衰期达到几天甚至几十天，无法直接用于废水的处理。如果通过优化水解反应条件，例如加入水解催化剂等优化酸、碱反应条件会促进抗生素的水解。
基于以上思路，笔者所在课题组考察了四环素类抗生素的水解动力学变化及其效价变化，发现优化水解条件能够显著加速四环素和土霉素的水解。水解过程在去除四环素类抗生素的同时，也能够有效降低废水中的抗生素效价。将强化催化水解后的四环素溶液和实际四环素生产废水进行厌氧抑制评价，发现四环素溶液(四环素浓度为1 000 mg·L-1)和实际生产废水(浓度为800~1 000 mg·L-1)进行厌氧处理时产甲烷被抑制，但是对其进行强化催化水解预处理之后，产甲烷能力和没有添加抗生素的对照系统相同，结果证明了经过强化催化水解预处理过程能够有效降低抗生素对微生物的抑制。
在此基础上，建立了一套强化催化水解-厌氧生物处理的中试装置，并在河北某制药厂针对土霉素生产废水处理进行了现场中试(1 000 m3·d-1)。相比现场没有预处理的厌氧生物处理设施工艺(进水为土霉素母液3~4倍稀释，有机负荷(以COD计)为1.0 kg·(m3·d)-1, COD去除率约为50%)，中试结果表明强化催化水解预处理联合厌氧处理工艺处理土霉素母液时进水无需稀释、厌氧进水负荷(以COD计)高(5.9 kg·(m3·d)-1)、处理效果好(COD去除率达83.2%)，并且土霉素母液中的土霉素及抗生素效价基本上全部去除(原母液浓度从874 mg· L-1降到0.61 mg·L-1，效价从900 mg·L-1降到0.84 mg·L-1)，而废水COD基本没有变化((11 086±602)mg·L-1)，说明抗生素能够从废母液中被选择性去除。经过100 d的现场中试，强化催化水解预处理联合厌氧处理工艺还能够显著降低土霉素生产废水厌氧处理过程中耐药基因的产生，总的四环素耐药基因相对丰度相比初始投加污泥(0 d)的相对丰度下降61%，仅为实际土霉素生产废水处理系统污泥四环素耐药基因相对丰度的20%。因此，强化催化水解预处理工艺能够有效去除四环素类抗生素及其效价，消除抗生素对生化处理工艺的抑制作用，并能够有效阻止抗性基因的生成，实现抗生素及抗药基因的源头控制，在抗生素生成废水处理领域具有很大的潜力与发展前景。
5 结论与展望
1) 抗生素废水的处理不仅仅是抗生素母体浓度的降低，最关键的是残留抗生素生物效能(效价)能否被有效削减。未来的研究需要阐明抗生素在促进抗药基因产生和发生水平转移方面的浓度阈值是多少，从而制定废水生物处理之前残留抗生素和效价的控制目标。
2) 生物处理技术成本低，是目前抗生素废水处理的主流技术，然而在处理高浓度抗生素生产废水时由于抗生素效价残留造成生物处理效果不稳定，同时可能导致大量耐药基因的产生和排放。因此，如何在生物处理之前进行源头控制，即利用物理化学技术选择性去除废水中残留抗生素及相关物质(残留效价)是解决抗生素废水处理难题的关键。
3) 目前包括臭氧氧化和高级氧化等各种物化处理技术迅速发展，可以高效快速去除水溶液中的抗生素，可以用于生物处理之后的深度处理，用以保障废水的安全排放。然而基于自由基的氧化反应选择性小，当废水中存在多种污染物质时难以去除抗生素，难以作为高浓度抗生素废水源头控制技术，需要开发选择性地去除抗生素效价的预处理技术。
4) 建立了强化催化水解预处理工艺，能够有效去除四环素类抗生素及其效价，消除抗生素对生化处理工艺的抑制作用，并能够有效阻止耐药基因的生成，通过现场中试研究实现了抗生素及耐药基因的源头控制，在抗生素生成废水处理领域具有很大的潜力与发展前景。
5) 针对高浓度抗生素废水需要将源头控制预处理技术和末端保障深度处理技术联合使用，构筑抗生素和耐药基因控制多级屏障技术体系。在生物处理系统之后，可以进一步利用后处理技术也就是氧化等深度处理技术保障末端水质。
6) 抗生素菌渣被列为危险废弃物，是目前限制制药行业可持续发展的重要瓶颈;同时某些类型抗生素例如四环素类等极易被污泥吸附，导致剩余污泥成为了抗生素迁移转化途径中重要的“汇”。未来需要加强含有高抗生素的菌渣和污泥的处理处置，是阻断抗生素、抗药基因向环境中释放的必要措施。(来源：环境工程学报 作者：张昱)
