污水处理中抗生素的生态治理
（徐州工程学院环境工程学院 江苏省徐州市 221018）
摘要：随着抗生素在医疗、农业和畜牧业中的广泛应用，其在水环境中的残留问题日益凸显，对水生生态系统和人类健康构成潜在威胁。污水处理系统作为抗生素进入自然水体的最后一道屏障，其处理效率直接关系到水环境的安全。本文系统分析了污水处理中抗生素的来源、迁移转化规律及现有处理技术，提出了基于生态工程的综合治理策略，旨在为污水处理中抗生素的科学防控与生态修复提供理论参考和实践指导。
关键词：抗生素；污水处理；生态治理；迁移转化；综合策略
1. 引言
抗生素作为一类能够抑制或杀灭微生物的药物，自20世纪中期以来被广泛应用于人类医疗、兽医实践及农业养殖中。然而，其不合理使用和处置不当导致大量抗生素通过生活污水、医疗废水及农业径流进入污水处理系统，进而对水生生态系统造成长期累积性影响。研究表明，传统污水处理工艺对抗生素的去除效率有限，部分抗生素甚至能在处理过程中发生转化，生成更具毒性的代谢产物。因此，探索高效、低成本的抗生素生态治理技术已成为环境科学与工程领域的热点问题。
2. 抗生素在污水处理中的来源与迁移转化
2.1 主要来源
污水处理系统中的抗生素主要来源于以下三个方面：
医疗废水：医院排放的废水中含有高浓度的抗生素，尤其是未被完全代谢的药物原型及其代谢产物。
生活污水：家庭用药后通过排泄物进入下水道，以及含抗生素的个人护理产品（如抗菌皂）的使用。
农业径流：畜禽养殖中广泛使用的抗生素通过粪便排放和雨水冲刷进入地表水体，进而汇入污水处理系统。
2.2 迁移转化规律
抗生素在污水处理系统中的迁移转化受多种因素影响，包括：
物理吸附：抗生素分子可通过疏水作用、静电作用等吸附在活性污泥或生物膜表面。
生物降解：微生物通过酶促反应将抗生素分解为小分子物质或无机物，但部分抗生素（如氟喹诺酮类）对微生物具有抑制作用，影响降解效率。
化学转化：在氧化还原条件下，抗生素可能发生开环、羟基化等反应，生成毒性更强的中间产物。
光解作用：紫外光照射可促使部分抗生素发生直接或间接光解，但实际处理中光解效率受水质条件限制。
3. 现有处理技术及局限性
3.1 物理化学法
吸附法：利用活性炭、生物炭等吸附剂去除抗生素，但吸附剂再生困难，成本较高。[1]
膜分离法：通过超滤、纳滤等膜技术截留抗生素，但膜污染和通量下降问题突出。
高级氧化法：如臭氧氧化、光催化氧化等，可有效降解抗生素，但运行成本高，且可能产生有毒副产物。
3.2 生物法
活性污泥法：依赖微生物的代谢作用降解抗生素，但易受抗生素抑制，导致处理效率下降。
生物膜法：通过生物膜上的微生物群落降解抗生素，抗冲击负荷能力强，但启动周期长。
厌氧消化：适用于高浓度有机废水，但对抗生素的去除效率较低，且可能促进抗性基因的传播。
3.3 局限性分析
现有技术普遍存在以下问题：
单一技术效率有限：物理化学法成本高，生物法易受抗生素抑制。
抗性基因传播风险：未完全降解的抗生素可能诱导微生物产生抗性基因，加剧环境耐药性。
二次污染：部分处理过程中生成的中间产物毒性更强，需进一步处理。
4. 抗生素生态治理策略
4.1 源头防控
减少使用：推广抗生素合理使用规范，降低医疗和农业中的滥用现象。
预处理技术：在医疗和养殖废水中设置预处理单元，如高级氧化或吸附，减少抗生素进入市政管网。
4.2 过程强化
组合工艺：将物理化学法与生物法结合，如“臭氧氧化+生物活性炭”工艺，提高抗生素去除效率。
微生物强化：投加特异性降解菌或工程菌，增强生物处理系统的抗冲击能力。
生态浮床：利用水生植物根系分泌的化感物质抑制抗生素活性，同时吸收部分抗生素。[2]
4.3 末端治理
人工湿地：构建表面流或潜流人工湿地，通过植物、微生物和基质的协同作用去除抗生素。
高级还原技术：如零价铁还原，将抗生素转化为低毒性或无毒性产物。
资源化利用：从污泥中回收抗生素或其降解产物，实现废物资源化。[3]
5. 案例分析：某城市污水处理厂抗生素治理实践
5.1 项目背景
某城市污水处理厂作为城市基础设施的重要组成部分，肩负着服务50万人口的重任，其设计处理规模达到每日10万吨，确保了城市生活污水和工业废水的有效处理。然而，随着抗生素在医疗、农业等领域的广泛应用，其通过不同途径进入污水处理厂的现象日益普遍。监测数据显示，该厂进水中磺胺类抗生素的浓度高达50μg/L，这一浓度水平对污水处理工艺提出了严峻挑战。尽管经过初步处理，出水中仍检测到10μg/L的抗生素残留，这不仅对受纳水体构成了潜在的环境风险，还可能通过食物链传递影响人类健康。因此，寻找高效、可行的抗生素治理方案成为当务之急。
5.2 治理方案
针对上述问题，该污水处理厂采用了“臭氧氧化+生物接触氧化+人工湿地”的组合工艺，以期实现抗生素的高效去除和废水的深度净化。
臭氧氧化单元：作为预处理阶段的关键环节，臭氧氧化单元通过投加臭氧（5mg/L）与污水充分接触，利用臭氧的强氧化性破坏抗生素分子结构，使其转化为更易降解的中间产物或直接矿化为二氧化碳和水。反应时间设定为20分钟，以确保足够的氧化效果。实验数据显示，该单元对磺胺类抗生素的去除率可达60%，显著降低了后续处理单元的负荷。
生物接触氧化单元：紧随臭氧氧化之后，生物接触氧化单元利用填充的组合填料为微生物提供附着生长的环境，同时接种经过筛选和驯化的抗性菌剂，这些菌剂具有高效降解抗生素的能力。在充足的溶解氧和适宜的营养条件下，微生物通过代谢作用进一步降解剩余的抗生素，实现污染物的进一步去除。此单元的设计充分考虑了微生物的多样性和活性，确保了处理效果的稳定性和高效性。
人工湿地单元：作为深度净化阶段，人工湿地单元通过模拟自然湿地的生态功能，种植芦苇、菖蒲等具有强吸收能力的植物，利用植物根系和附着在根系上的微生物的协同作用，对污水中的抗生素进行最后的吸收和降解。湿地植物不仅能够有效吸收水中的营养物质和污染物，还能通过光合作用释放氧气，改善湿地环境，促进微生物的繁殖和活动。此外，湿地单元还具有一定的景观和生态价值，提升了污水处理厂的整体环境效益。
5.3 实施效果
经过上述组合工艺的处理，该污水处理厂取得了显著的治理效果。运行6个月后，出水中的抗生素浓度降至0.5μg/L以下，远低于《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中Ⅲ类水质对抗生素的限值要求，有效保障了受纳水体的水质安全。同时，人工湿地单元中的植物生长状况良好，生物量显著增加，形成了稳定的生态系统，进一步增强了湿地的净化能力和抗冲击负荷能力。此外，该组合工艺还具有运行稳定、操作简便、成本低廉等优点，为其他类似污水处理厂的抗生素治理提供了有益的借鉴和参考。
5.4 未来污水处理抗生素治理的前景展望
随着科学技术的不断进步和环保意识的日益增强，未来污水处理中抗生素的治理将迎来更加广阔的发展前景。一方面，新型氧化技术、高效生物处理技术以及先进的膜分离技术等将不断涌现，为抗生素的高效去除提供更多选择。例如，高级氧化技术如光催化氧化、电化学氧化等，能够产生具有更强氧化能力的自由基，有望实现抗生素的快速、彻底降解。另一方面，基于生态工程的污水处理技术，如人工湿地、生态浮床等，将因其独特的生态净化功能和较低的运行成本而受到更多关注。此外，随着物联网、大数据等现代信息技术的应用，污水处理厂的智能化管理水平将不断提升，实现抗生素治理过程的精准控制和优化运行。可以预见，在多学科交叉融合和科技创新的推动下，未来污水处理中抗生素的治理将更加高效、环保、可持续，为保护水资源和生态环境作出更大贡献。
6. 讨论与展望
当前抗生素生态治理面临的主要挑战包括：
技术经济性：如何平衡处理效率与运行成本，实现大规模应用。
抗性基因管控：需建立抗性基因监测体系，评估治理措施对微生物群落的影响。[4]
政策标准：完善抗生素排放标准，推动行业规范发展。
未来研究应聚焦于：
新型材料开发：如高效吸附剂、光催化剂的研发。
智能监控技术：利用物联网和大数据实现抗生素污染的实时预警和精准治理。[5]
多技术协同：探索物理、化学、生物与生态技术的最优组合，提升系统韧性。
7. 结语
污水处理中抗生素的生态治理需遵循“源头减量-过程强化-末端修复”的原则，构建多技术协同的综合治理体系。[6]通过案例实践表明，组合工艺可显著提升抗生素去除效率，同时改善水体生态功能。未来应加强技术创新与政策引导，推动污水处理行业向绿色、可持续方向发展。
参考文献
[1] 王斌. 蓝藻水华的生态治理[D]. 河海大学，2016.
[2] 张学其, 李似同. 2024年抗生素在城市污水处理系统中的分布及去除研究[J]. 环境科学学报, 2024, 44(5): 123 - 130.
[3] 王若彤, 赵柳. 抗生素制药废水的来源及特征分析[J]. 中国给水排水, 2022, 38(10): 45 - 52.
[4] 仪器信息网. 环境浓度环丙沙星对蓝藻的致死效应——抗生素 - 光合蛋白结合的影响[EB/OL]. (2024-12-26)[2025-01-10].
[5] 杭州师范大学有害藻类调控研究团队. 环境浓度的典型抗生素——罗红霉素对铜绿微囊藻生理生化参数及转录组学的影响[EB/OL].
[6] 李齐, 刘奔. 蓝藻水华形成原因及治理对策研究[J]. 水资源保护, 2006, 36(3): 78 - 85.
作者简介：戴彦飞（2003）男，扬州市人，给排水科学与工程专业本科生，研究方向为水处理技术。E-mail：464722057@QQ.com，通讯地址：江苏省徐州市云龙区丽水路2号，徐州工程学院环境工程学院
