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2.1.4污泥吸附和活性炭吸附
污泥吸附和活性炭吸附并没有使抗生素发生降解、减少抗生素的总量,只是将抗生素从水相转移到了污泥或活性炭上。活性污泥是微生物群落和其依附的有机物和无机物的结合体,呈多孔絮状;活性炭是多孔质炭素材料,两者都具有较大的比表面积,易于抗生素的吸附。污泥对抗生素的吸附作用主要有2个机理:亲脂吸附和静电引力作用。
亲脂吸附是指含有脂肪基和方向基的化合物分别进入到微生物亲脂性的细胞膜内以及污泥的脂类部分中,该作用与化合物的亲脂性有关;静电引力作用就是带正电基团的化合物与带负电的细胞表面产生静电吸引作用,该作用主要与化合物在水溶液中的离子形式有关。活性炭的吸附则仅仅依靠分子之间的作用力,包括物理吸附和化学吸附,吸附等温线符合Langmuir和Freundlich方程。
2.1.5膜过滤
膜过滤技术的基础是具有选择透过性的薄膜,由于膜的孔径很细,成本较高,为防止膜被污染,膜过滤之前污水都会经过一定的处理。常用的膜过滤技术按照膜孔径的大小和分离驱动力划分可分为微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)、渗析(Dialysis)、电渗析(ED)、渗透气化(PV)等。Koyuncu等研究纳滤膜对荷尔蒙和抗生素的去除,结果发现纳滤膜对四环素类抗生素的去除率较高,几乎可以达到100%,对磺胺类抗生素的去除率较低,原因是四环素类抗生素分子量较大(444~479g/mol),而磺胺类抗生素分子量较小(<253g/mol),分子量小的物质需要孔径更小的膜才能将其拦截。Sui等[66]的研究结果表明,微滤/反渗透联用是污水深度处理去除抗生素的有效途径,而超滤由于孔径较大,不能有效去除分子量较小的抗生素类质,目标抗生素的去除率只有50%左右。
2.2生物降解
抗生素对微生物有一定的毒性,可能会对生物处理单元的处理效率造成一定影响,但生物降解仍然是抗生素降解的最重要途径。对抗生素的降解主要是依赖耐药性菌株,驯化出对抗生素产生耐性的菌株显得尤为重要。微生物对抗生素的转化和降解主要通过2种作用:共同代谢作用和混合基质增长,两者的区别在于是否把抗生素作为碳源。与生物膜法相比,活性污泥法在国内外城市污水处理厂的应用更广,对抗生素的去除也更为有效,可能是由于活性污泥对抗生素类物质还有吸附作用。
活性污泥法对不同种类抗生素的去除率差别很大,从几乎不能去除到90%以上去除率。如甲氧苄啶在生物处理单元的去除率几乎为0,β-内酰胺类生物降解几乎为100%,磺胺类为39.1%~65%之间,喹诺酮类、四环素类和大环内酯类抗生素虽然在活性污泥中也有一定的去除,但基本上是污泥的吸附作用,很少被微生物降解。
3展望
发达国家对环境中残留抗生素的研究已经持续了近十年,而我国学者是近几年才开始关注抗生素的污染问题。城市污水处理厂既是去除抗生素的场所,又是环境中抗生素的重要来源之一。对城市污水处理厂中抗生素类物质的研究,以下几个方面应该引起我国学者的关注:
(1)基于抗生素物理化学性质,应用较为广泛的检测方法是液相色谱—质谱联用技术。国内很多实验室已经引进了该项技术,但是目前对抗生素浓度的检测集中在进出口食品方面,对城市污水和污泥中抗生素残留浓度的检测较少,污水处理系统中抗生素基础浓度数据匮乏。另一方面,现有的数据由于缺乏统一的检测标准,可比性较差。应根据国情,建立污水、污泥中常用抗生素的标准监测方法,为污水处理系统中抗生素的去除提供依据。
(2)我国学者现有的研究重点是抗生素在各污水处理工艺单元存在水平及各工艺对抗生素的去除效率,而没有针对抗生素在污水-污泥系统中的具体去除机理及影响条件,缺乏相关去除机理的模型,不能对污水处理系统中抗生素的迁徙转化进行判断。
(3)国外研究发现,某些抗生素降解产物的生物毒性较其母体更大;而我国现在对抗生素类物质的检测大部分仅限于抗生素母体,在抗生素降解产物方面的数据几乎空白。应该在检测母体抗生素的基础上,对其降解产物进行研究,并且设计毒性实验,探明抗生素降解产物的理化性质和生态毒性。
(4)我国目前建成的城市污水处理工艺的重点还放在氮磷等常规污染物的去除,常规污染物依靠传统的污水处理工艺能有效的去除。但是传统污水处理工艺对抗生素等有机微污染物去除率通常很低,甚至出现负去除;另一方面,抗生素的残留会对生物处理单元中微生物产生一定的抑制作用,或者诱导抗性菌的出现。因此,针对抗生素等有机微污染物的污水预处理或深度处理工艺的开发,也是亟需研究的方向之一。
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