头孢类制药废水中有机污染物的去除特性

孔瑜，顾卫华，段锋，张西华，赵赫

（1 上海第二工业大学电子废弃物研究中心，资源循环科学与工程中心，上海电子废弃物资源化协同创新中心，上海201209；2 中国科学院过程工程研究所环境技术与工程研究部，绿色过程与工程重点实验室，北京市过程污染控制工程技术研究中心，北京100190）

头孢类抗生素是将发酵得到的天然头孢菌素C 经过不同的裂解方式生成7-氨基头孢烷酸（7-ACA）中间体，再对7-ACA 的侧链进行修饰后，合成的具有β-内酰胺环的一类抗生素[1-2]。这类抗生素对革兰阴性和革兰阳性细菌均有抑制作用，抗菌谱广、副作用较小，在抗生素市场中占据重要地位[3]。近年来，随着市场需求量的增加，头孢类抗生素生产和使用量也逐渐增大，据统计，大多数国家的β-内酰胺类抗生素的使用量占总抗生素总使用量的50%～70%[4]。与此同时，由于工业化的生产过程带来相应的环境问题，头孢类抗生素多采用半化学合成的生产方式，产生的废水中可能含有各种有机溶剂、催化剂、原料、反应中间体，这使得它们的处理过程变得复杂[5]。抗生素生产废水经过污水处理厂处理后，在地表水、地下水和土壤中仍可以检测到抗生素残留物及其代谢产物[6-7]，这些物质在环境中的迁移转化导致了抗药性细菌（ARBs）和基因（ARGs）的产生，可能对人类和动物的健康构成严重威胁[8-9]。因此，污水处理厂成为环境中残留抗生素的主要间接来源之一。

2008 年，我国出台了针对制药行业的水污染排放标准，其中污染控制指标有化学需氧量（COD）、氨、pH 等常规指标，还包括急性毒性当量等特征指标[10]。但是，这些指标还不能完全反映生产及处理后产生的污染因子。目前关于有机污染物和残留抗生素去除特性的分析相对较少，除此之外，关于头孢类抗生素废水的成分分析，只关注进出水中的物质和种类[11]，并没有对每个单元的出水进行详细分析，对头孢类制药废水产生的有机物质的潜在毒性还缺乏一定的认识。

本研究针对国内某大型药企的头孢类抗生素废水处理工艺，各处理环节废水的常规指标和残留抗生素进行分析，采用液液萃取预处理手段结合气相色谱-质谱联用（GC-MS）对有机物进行全面定性分析。研究结果可对现有的处理工艺进行一定的分析与评价，识别出头孢类制药废水产生的特征有机物质，并对头孢类污水处理工艺的优化提供数据支持。

1 材料和方法

1.1 材料与试剂

二氯甲烷，色谱纯，天津光复科技发展有限公司；头孢唑啉钠标准品，纯度＞98%，上海阿拉丁；浓硫酸、氢氧化钠、无水硫酸钠，分析纯，北京化工厂。

1.2 实验设备与分析仪器

TOC-V CPH 型TOC 测定仪，日本岛津；Agilent GC7890A-MS5975C 气相色谱-质谱联用仪，美国Agilent 公司；1200 Infinity Series 型高效液相色谱仪，美国Agilent 公司；5B-3B(V8)型多参数水质测定仪，兰州连华环保科技公司。

1.3 实验方法

1.3.1 样品来源及取样点

水样取自国内某大型药企抗生素制药废水综合污水处理厂，该企业以生产头孢唑啉钠为主。污水厂采用预处理+水解酸化+A/O+MBR 工艺。水样取自污水处理工艺中高浓度废水调节池1、高浓度废水水解酸化池1、综合废水调节池2、综合废水水解酸化池2、A 池、MBR 池出水等的6 个取样点，水样为24h混合水样，工艺流程图及取样点位置如图1所示。①、②取样点分别为高浓度废水的预处理单元进水和出水，③、④、⑤和⑥取样点分别为综合调节池出水、水解酸化、缺氧和好氧MBR出水。

1.3.2 废水中特征有机物分析方法

二氯甲烷液液萃取方法：将150mL 水样与30mL二氯甲烷混合，用10mol/L NaOH 或者浓硫酸依次调节水样至中性（pH=7）、酸性（pH＜2）、碱性（pH＞12），经过二氯甲烷3 次萃取后，将所有萃取相收集起来，加过量无水硫酸钠干燥，干燥后的有机相放入氮吹仪浓缩，40℃下氮吹浓缩至1.0mL待用。

图1 制药废水处理工艺流程及取样点

气相色谱基本条件：进样口200℃，进样量1μL，分流比10∶1，载气为99.99%氦气。升温条件：起始温度40℃保持2min，以5℃/min 升温至120℃保持2min，再以10℃/min 升温至250℃保持2min。质谱条件：全扫描模式，质量数30～500，四级杆温度150℃，离子源温度230℃。头孢唑啉钠浓度分析参考《中华人民共和国药典》[12]，先使用HLB 固相萃取柱分离浓缩，然后采用高效液相色谱分析， 流动相为0.01mol/L 磷酸氢二钠、0.006mol/L 柠檬酸混合溶液和乙腈，比例为88%∶12%，检测波长为254nm。

2 结果与讨论

2.1 常规污染物去除效果分析

各取样点测定的常规污染物的水质指标见表1。

图2 各处理单元对污染物的去除率

表1 常规水质指标

2.2 特征有机污染物定性全解析

污水处理厂各取样点出水GC-MS 总离子流见图3。在预处理单元和水解酸化单元，有机物的相对丰度是逐渐降低的，这些有机物质可以通过微生物和吸附的方式进行降解或者转移至污泥相中[15]，在缺氧和好氧单元中检出的有机物可能通过微生物的作用形成相关的代谢产物。总体上，随着工艺流程的进行，有机物的相对丰度逐渐降低。头孢类制药废水处理工艺各取样点的GC-MS结果见表2，经过GC-MS 测定后得到的有机物与NIST 谱库进行比对，共得到52 种有机物质。将测得的有机物分为酸酯类、胺类、酰胺类、酚类、烷烃类、芳香烃类、卤代烃类、杂环类、醛酮类、醇醚类10 类物质，在①～④取样点出水中测得的有机物种类逐渐减少，然而在污水处理流程的后段生物处理阶段，⑤、⑥取样点出水中，有机物质的种类增多。

图3 各取样点出水GC-MS总离子流

表2 制药废水处理工艺流程中各取样点GC-MS结果

续表2

各取样点出水中的有机物种类分布见表3，在预处理单元酸酯类、胺类和杂环类有机物所占比例较高，这几类有机物在头孢类抗生素的工业生产中作为有机溶剂或原料使用。经过水解酸化单元后，酸酯类、胺类和杂环类有机物的种类减少，预处理单元检出的醚醇类有机物没有出现，一部分原料和有机溶剂得到了降解。在缺氧单元和好氧单元的出水中，有机物种类明显增多，说明在生物处理过程中这些有机物并没有被完全矿化，它们形成了更多的代谢产物[16]。缺氧单元出水中胺类、杂环类还是主要有机物种类，新增加了烷烃、卤代烃、醛酮类的有机物，好氧单元出水中烷烃、芳香烃、卤代烃这些烃类物质和醛酮、醇醚类有机物的比例上升。总体上，有机物的种类增多且分布较为均匀。

表3 各取样点出水有机物种类分布

各取样点出水中的每类有机物相对丰度所占的比例见图4，在预处理单元酸酯类、胺类、酰胺类、杂环类有机物相对丰度较高，通过与NIST 谱库进行比对，这些有机物分别为丁酸、三乙胺、N,N-二甲基三甲基乙酰胺和四氢呋喃在头孢类抗生素的工业生产中作为有机溶剂或原料使用。特别是三乙胺和四氢呋喃的相对丰度较高，是预处理单元出水中最主要的两种有机物。水解酸化单元中胺类和杂环类有机物的相对丰度所占比例仍然较高，与预处理单元相比，所占比例为64%～67%和16%～19%，保持稳定。酸酯类有机物相对丰度的所占比例是逐渐降低的，说明水解酸化单元对酸酯类有机物进行了有效的降解。在④取样点出水中，酚类有机物的比例有所上升，其中相对丰度最高的有机物是苯酚。经过水解酸化单元处理后三乙胺、四氢呋喃依然是出水中最主要的两种有机物。缺氧和好氧单元出水中卤代烃是主要的一类有机物，相对丰度所占比例分别为55.96%和34.69%。由图4 可知，在缺氧和好氧单元中有机物的种类增多，但大部分增加的有机物相对丰度较低（图4）。在缺氧单元出水中三乙胺、四氢呋喃、N,N-二甲基三甲基乙酰胺、苯酚等有机物未检出，1,2-二氯乙烯、2-巯基-5-甲基-1,3,4-噻二唑是出水中主要的有机物，其来源可能是原料或有机溶剂经过处理后形成的代谢产物或中间体。好氧单元出水卤代烃类有机物1,2-二氯乙烯和烷烃类有机物正己烷的相对丰度较高，仍需要关注其后续的迁移转化过程。

在检测出的上述有机物中，三氯甲烷、苯酚[17]属于水中优先控制的污染物。头孢类制药废水经一系列处理后，总出水中仍含有三氯甲烷，其与1,2-二氯乙烯属于《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017）中规定需测定的毒理学指标[18]。此外，杂环类物质中的2-巯基咪唑、2-巯基-5-甲基-1,3,4-噻二唑可能具有持久性和生物毒性[19]，若直接排放将会对水体环境带来污染风险。

图4 各取样点出水有机物相对丰度

3 结论

本研究基于经处理后的头孢类抗生素废水，通过对其处理过程相关取样点常规水质指标和有机物质的全面分析，可以得出如下主要结论。

（1） 头孢类抗生素废水经处理后COD、TOC、氨氮、总氮、总磷、pH 等常规水质指标的排放限值满足《化学合成类制药工业水污染物排放标准》（GB 21904－2008）的直接排放要求，其残留抗生素去除率可达到99%，采用GC-MS 对各取样点出水进行有机物全分析后，共测得52种有机物质，其中酸酯类、杂环类、胺类物质所占比例较高。

（2）通过对头孢类污染物的去除特性进行研究发现，该污水处理厂采用的“预处理+水解酸化+A/O+MBR”工艺处理效果较好，故针对难降解抗生素废水采用“水解酸化-缺氧-好氧生物处理”是一种有效的处理方式。

（3）头孢类抗生素生产过程中的原料和有机溶剂三乙胺、四氢呋喃、N,N-二甲基三甲基乙酰胺、丁酸等以及污水处理过程中生成的2-巯基咪唑、2-巯基-5-甲基-1,3,4-噻二唑等代谢产物，尽管目前并没有被相关的排放标准列入需要测定的污染物指标，但由于其毒性较大、排放含量较高，仍需要关注其排放含量和迁移转化过程，同时急需优化现有工艺，增加深度处理过程，强化有机物的深度去除。