王曉虹，何桂琳，田立平，栗靜靜，王永磊，姜清月

（1.山東建筑大學市政與環(huán)境工程學院，山東濟南250102；2.濰坊市市政公用事業(yè)服務中心，山東濰坊261041）

隨著社會的發(fā)展，越來越多的藥物進入到人們的生活中，其被廣泛應用于人類與動物疾病的治療和預防〔1〕。其中，抗病毒藥物是一類通過抑制病原體生長來治療人畜病毒感染的藥物。根據(jù)治療疾病的不同，抗病毒藥物可以分為抗皰疹病毒類、抗腺病毒類、抗乳頭瘤狀病毒類、抗流感病毒類、抗呼吸道合胞病毒類、抗人類免疫缺陷病毒（HIV）類和抗乙型肝炎病毒類等藥物〔2〕。2020年初，全球爆發(fā)新型冠狀病毒疫情，大量抗病毒藥物被用于新冠病毒感染患者的治療。由于不能被患者完全消化以及不適當?shù)膹U物處理，抗病毒藥物及其代謝物通過人體排泄和醫(yī)療廢水進入城市污水系統(tǒng)，導致污水系統(tǒng)中藥物濃度增加〔3〕。由于這類藥物具有難降解特性，污水處理廠常規(guī)的處理工藝不能將其完全降解，致使這類藥物進入到水環(huán)境中〔4〕。筆者介紹了水中抗病毒藥物的來源及其對水生環(huán)境和人體健康的危害，并綜述了近年來有關水中抗病毒藥物去除技術的研究現(xiàn)狀，指出了未來研究的方向，以期為研發(fā)出更加高效的水中抗病毒藥物去除方法提供參考。

1 抗病毒藥物的來源和危害

1.1 抗病毒藥物的來源

抗病毒藥物可以通過不同來源進入污水處理廠。研究〔5〕指出，污水處理廠污水中的抗病毒藥物主要有3個來源：一是制藥企業(yè)藥物生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的醫(yī)藥廢水；二是人畜治療過程中藥品的使用，由于人體和動物體的不完全吸收，這些藥品最終會通過糞便排出體外；三是未使用或者過期的藥物被丟棄后進入污水處理廠。目前，大多數(shù)污水處理廠現(xiàn)有的常規(guī)處理工藝對抗病毒藥物的去除效果不佳，導致藥物經(jīng)污水處理廠排出后，在耕地、綠地和垃圾填埋場等環(huán)境介質(zhì)間遷移。環(huán)境中抗病毒藥物的遷移途徑如圖1所示〔5〕。一部分抗病毒藥物通過地表徑流進入地表水體，另一部分通過滲流進入地下水體，最終通過給水處理廠進入飲用水系統(tǒng)?？共《舅幬镌谡麄€過程中隨食物鏈不斷積累，進而對生態(tài)環(huán)境、動植物以及人體健康造成危害。

圖1 環(huán)境中抗病毒藥物的遷移途徑Fig.1 Migration pathway of antiviral drugs in environment

1.2 抗病毒藥物的危害

對于污水處理系統(tǒng)，藥物可通過干擾生物膜或刺激生物群落破壞污水處理系統(tǒng)中的微生物，影響系統(tǒng)污水處理的效率和性能，進而可能導致未處理完全的廢水進入河流，引發(fā)水體富營養(yǎng)化、水生生物和魚類死亡等問題〔6〕。同時一些抗病毒藥物具有高度的生物活性或?qū)χ車髦械姆悄繕松锂a(chǎn)生負面影響，如果這些藥物沒有被有效降解，并在環(huán)境中遷移，可能會抑制自然生物系統(tǒng)中生物有機體的活動〔5〕。H.SANDERSON等〔7〕對近3 000種不同化合物進行了（Q）SAR建模，結(jié)果表明，就化合物對藻類、水溞類和魚類的毒性而言，抗病毒藥物被預測為最具危害性的藥物之一，這些藥物通過各種途徑進入自然環(huán)境后，即使?jié)舛群艿?，仍可以對動植物產(chǎn)生不利影響〔8〕。水生環(huán)境中的抗病毒藥物引起人們警惕的另一個原因是病毒耐藥性的增加限制了抗病毒藥物在人和動物中的臨床效果〔9〕。當抗病毒藥物和待去除的病毒在同一水體共存時，易感生物就會產(chǎn)生耐藥性。G.C.GHOSH等〔10〕研究發(fā)現(xiàn)，在流感爆發(fā)期間，棲息在污水處理廠河流附近的水禽對奧司他韋磷酸鹽（OP）產(chǎn)生了耐藥性。

目前，尚未針對抗病毒藥物等痕量污染物進行長期系統(tǒng)監(jiān)測，污水處理廠也沒有設置相關處理工藝單元。為了保障水體水質(zhì)安全，上述問題應亟待解決。

2 水體中抗病毒藥物的污染現(xiàn)狀

目前，抗病毒藥物在世界范圍內(nèi)的一些國家和地區(qū)的污水、地表水、地下水以及飲用水中都有檢出〔11〕。各類水體中，污水廠進出水樣品中抗病毒藥物的檢出頻率和濃度相對較高。A.C.SINGER等〔12〕對英國一個小型和一個大型污水處理廠污水中的奧司他韋羧酸鹽（OC）濃度進行了測定，結(jié)果顯示，二者進水中OC的平均質(zhì)量濃度分別為208、350 ng/L（最大值分別為2 070、550 ng/L）。R.TAKANAMI等〔13〕測定了2010—2011年日本季節(jié)性流感期間，Neya河附近的污水處理廠出水中OP和OC的濃度。結(jié)果顯示，流感中期污水處理廠出水中OP和OC的質(zhì)量濃度相對較高，分別為159.2、421.1 ng/L。H.LEKNES等〔14〕報道了流感期間挪威Oslo郊外的一個污水廠進出水中OP和OC的質(zhì)量濃度范圍分別為5～529 ng/L和28～1 213 ng/L。

地表水中也發(fā)現(xiàn)了一定量的抗病毒藥物，源頭是污水處理廠處理后的水體以及藥廠等生產(chǎn)過程中排放的廢水。Xianzhi PENG等〔15〕報道了阿昔洛韋在中國珠江三角洲城市垃圾填埋場附近的河水及水庫中的濃度，結(jié)果顯示，河水及水庫中最大檢出質(zhì)量濃度分別為113、33.6 ng/L。C.RIMAYI等〔16〕測定了冬季南非Umgeni河水中奈韋拉平、依法韋倫的質(zhì)量濃度，二者分別為68、138 ng/L，拉米夫定質(zhì)量濃度低于最低限。E.NGUMBA等〔17〕調(diào)查了3種抗逆轉(zhuǎn)錄病毒藥物（拉米夫定、奈韋拉平和齊多夫定）在肯尼亞Nairobi河流域的濃度，結(jié)果顯示，3種藥物最大質(zhì)量濃度分別為5 430、4 860、7 680 ng/L，表明該河流受到生活廢水的嚴重污染。

地下水和飲用水中也存在抗病毒藥物污染的風險。地下水會通過自然和人類活動等途徑被受污染的地表水所影響，接收一定量污染物〔18〕。給水廠常規(guī)的處理工藝不足以去除抗病毒藥物，因此飲用水也有可能受到來自地下水源的污染〔11〕。有研究〔16〕在南非Hartbeespoort大壩附近開展的地下水抽樣檢測中檢測到了奈韋拉平，奈韋拉平在夏季、秋季、冬季和春季的質(zhì)量濃度分別為8、10、13、13 ng/L。L.BOULARD等〔19〕研究了德國Koblenz地下水中恩曲他濱、恩曲他濱羧酸鹽和恩曲他濱S-氧化物的存在情況，結(jié)果顯示，3種藥物的最大質(zhì)量濃度分別為3.9、370、23 ng/L；恩曲他濱羧酸鹽的含量相對較高，平均質(zhì)量濃度為140 ng/L。I.J.FISHER等〔20〕檢測了美國地下水中抗病毒藥物的濃度，發(fā)現(xiàn)拉米夫定的質(zhì)量濃度為25.2 ng/L。J.GIEBULTOWICZ等〔21〕檢測到波蘭自來水中地瑞那韋的最大質(zhì)量濃度為169 ng/L。T.P.WOOD等〔22〕的另一項研究顯示，在Hartbeespoort大壩附近的自來水中檢測到洛匹那韋、奈韋拉平、利托那韋、扎西他濱和齊多夫定，但只有扎西他濱和齊多夫定的質(zhì)量濃度在檢測限以上（分別為8.4、72.7 ng/L）。與污水處理廠進出水和地表水相比，目前地下水與飲用水中抗病毒藥物的檢測數(shù)據(jù)還比較少，但是相關水體中抗病毒藥物污染的問題同樣應該引起重視，特別是在處理系統(tǒng)長期未升級或檢測技術落后的地區(qū)。

抗病毒藥物在水體中的質(zhì)量濃度在ng/L～μg/L水平不等〔23〕，但是抗病毒藥物的持續(xù)排放會對生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重影響。而現(xiàn)有污水處理廠處理工藝對抗病毒藥物的處理效果并不理想，因此，高效去除水體中的抗病毒藥物應是當前乃至今后一段時期的研究重點。

3 水體中抗病毒藥物去除技術

污水處理廠是抗病毒藥物及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的第一個接收站，決定了藥物被人類或動物排出后的遷移和轉(zhuǎn)化路徑〔24〕。然而，污水處理廠傳統(tǒng)工藝對抗病毒藥物的去除效果并不佳〔25〕，需要進行深度處理，以提升污水處理效果。另有報道指出，傳統(tǒng)的飲用水處理工藝，不能有效地去除藥物〔26〕，攜帶抗病毒藥物的水體可通過飲用水處理廠進入供水系統(tǒng)影響人類生命健康。因此，開發(fā)有效去除抗病毒藥物的污水處理技術及飲用水處理技術對水質(zhì)安全尤為重要。目前，針對水中抗病毒藥的處理方法主要有生物降解技術、光催化氧化技術、電化學氧化技術、臭氧氧化技術以及吸附技術等。

3.1 生物處理技術

生物處理技術是利用微生物的代謝作用來處理水中有機污染物，其中，具有運行成本低、反應條件溫和等特點的活性污泥法在去除水中抗病毒藥物方面受到一定關注。C.PRASSE等〔27〕研究了水中阿普洛韋（ACV）和噴昔洛韋（PCV）2種抗病毒藥物與活性污泥接觸后的生物轉(zhuǎn)化過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ACV和PCV在活性污泥中均能夠被快速降解，2種藥物的一級反應速率常數(shù)與懸浮物（SS）的比值分別為（4.9±0.1）、（7.6±0.3）L/（g·d）。Yongjun ZHANG等〔28〕在德國Langenau的一個污水處理廠中，建立了中試規(guī)模的生物濾池來處理二級出水中的新興有機污染物，其中阿昔洛韋無需改性即可被有效去除，去除率達73%。未來還需進一步研究微生物種群的發(fā)展和廢水基質(zhì)對抗病毒藥物去除的影響，以觀察其適應性過程。

生物降解技術對抗病毒藥物的去除范圍有限。一方面，其針對不同種抗病毒藥物的降解效果差異顯著。T.AZUMA等〔29〕的研究表明，抗病毒藥物辛酸拉尼米韋易于生物降解，而金剛烷胺、法匹拉韋、奧司他韋羧酸鹽、帕拉米韋和扎那米韋不易于生物降解。另一方面，已有研究指出抗病毒藥物可能會干擾生物處理過程。F.R.SLATER等〔30〕模擬流感期間抗病毒藥物劑量，運行一個用于強化生物除磷（EBPR）的好氧顆粒污泥序批式反應器8周。結(jié)果表明，在高濃度奧司他韋羧酸鹽給藥期間和之后，細菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，EBPR和硝化作用受到破壞。

生物處理技術對于不同種類的抗病毒藥物的去除效果差異較大，這限制了該技術適用的廣泛性。因此，傳統(tǒng)生物處理技術不是一種適用于多種抗病毒藥物去除的理想方法。未來研究中可以向生態(tài)處理、好氧和厭氧微生物聯(lián)合處理等方向發(fā)展，進一步優(yōu)化該技術，同時需降低處理的時耗，提高可生物降解的抗病毒藥物的去除效率。

3.2 高級氧化技術

高級氧化技術（AOPs）是一種以羥基自由基（HO·）為主要活性氧化物，對環(huán)境水體中有機物進行氧化處理的方法。該技術具有氧化能力強、氧化徹底、處理時間短等優(yōu)點。目前，針對水中抗病毒藥物去除的高級氧化技術主要有光催化氧化、電化學氧化以及與其他工藝的聯(lián)用技術等。

3.2.1 光催化氧化技術

光催化氧化具有性質(zhì)穩(wěn)定、催化活性高、能礦化水中某些難生物降解污染物等優(yōu)點，最近十幾年逐漸被應用于抗病毒藥物的去除研究。安繼斌〔31〕研究了以TiO2作為光催化劑催化氧化去除水環(huán)境中拉米夫定的有效性，結(jié)果表明，在最佳反應條件（拉米夫定濃度為60μmol/L，pH為6.7，TiO2質(zhì)量濃度為1.0 g/L）下光催化降解30 min，拉米夫定的去除率達88.6%。Wenlong WANG等〔32〕研究了紫外光催化條件下3種不同類型的TiO2對水中抗病毒藥物OP的降解效果，以及催化劑用量和初始OP濃度對光降解的影響，并初步篩選出P25為一種有效的OP光催化降解催化劑。OP的光催化降解速率隨著催化劑用量增加而增加，當催化劑投加量超過100 mg/L時，光催化降解速率幾乎沒有變化；隨著初始OP濃度的增加，由于TiO2上可用的活性位點數(shù)目有限，光催化降解速率常數(shù)降低。

為提高TiO2的光催化性能，研究者們研究對TiO2進行過渡金屬摻雜等處理〔33〕。李遠勛等〔34〕研究了Ag、Cu摻雜比對TiO2光催化去除水中阿昔洛韋的影響。結(jié)果表明，摻雜適宜量的Ag、Cu（摩爾分數(shù)分別為1.2%、1.5%）后，TiO2光催化劑對阿昔洛韋的去除率高達98.8%，是純TiO2光催化劑的2.34倍，顯著提高了TiO2光催化劑去除阿昔洛韋的效果。

近年來，利用無毒的Nb2O5納米材料光催化降解制藥廢水也受到廣泛關注。Y.A.BHEMBE等〔35〕利用水熱法合成的具有新型p-n異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米粒FLBP@Nb2O5進行奈韋拉平的光降解研究，并探討了奈韋拉平初始濃度、pH及催化劑投加量對降解效果的影響。結(jié)果顯示，在500 mL的反應器中，當奈韋拉平初始質(zhì)量濃度為5 mg/L，p H為3，光催化劑投加量為15 mg時，反應3 h后奈韋拉平降解率達到68.5%，奈韋拉平被分解為更簡單的含碳化合物，比單獨使用Nb2O5光催化劑的降解效率高2倍。

光催化氧化技術在降解抗病毒藥物方面具有較大的應用潛力，但目前的研究主要集中在降解單個或某幾類抗病毒藥物的效果和機理，基于各類新型催化劑的光催化氧化技術的應用廣泛性仍需進一步研究，同時尋找更加高效低廉的光催化劑。

3.2.2 電化學氧化技術

電化學氧化技術是一種備受關注的綠色技術，其可通過電場作用產(chǎn)生的羥基自由基（HO·）、超氧自由基（O2·）等高效 去除多 種難降解污染物〔36〕。T.KOBAYASHI等〔37〕研究了電解法對水中抗病毒藥物OP及其產(chǎn)物OC的降解效果，OP和OC的初始質(zhì)量濃 度 分 別 為（297.60±4.62）、（291.80±8.99）μg/mL。實驗結(jié)果顯示，水中OP和OC的濃度分別在電解60、50 min后低于檢出限；電解液中未檢測到細胞毒性和遺傳毒性，表明電解法適用于對OP和OC的降解。

近年來為提高抗病毒藥物的電化學降解效率，研究者們研發(fā)了具有更高活性及穩(wěn)定性的陽極材料。Chengzhi ZHOU等〔38〕采用溶膠-凝膠法制備了多孔Ti/SnO2-Sb陽極，并利用該陽極研究了抗病毒藥物阿巴卡韋的電化學降解效果。研究表明，在0.2 mA/cm2的電流密度下，僅用10 min，阿巴卡韋降解率即達到97%以上，降解速率常數(shù)為0.36 min-1。

電化學氧化技術存在電極成本較高、能耗大等問題，需要進行更多的研究來克服這些缺陷。S.FEKADU等〔39〕考察了光電絮凝、過氧-電絮凝和過氧-光電絮凝3種工藝對水中拉米夫定的去除效果以及能源效率。結(jié)果表明，3種工藝中，過氧-光電絮凝工藝的去除率最高且能耗最低（光電絮凝法、過氧-電絮凝法和過氧-光電絮凝法在反應120 min時去除單位污染物能耗（以COD計）分別為67.6、44.0、23.6 kW·h/kg），采用過氧-光電絮凝工藝，拉米夫定幾乎能被完全礦化（去除率達96%）?？梢?，過氧化物-光電絮凝工藝是一種有效和節(jié)能的去除廢水中抗病毒藥物拉米夫定的技術。

3.2.3 臭氧氧化技術

臭氧氧化技術是近年來水體微污染物的去除技術之一，無論在大規(guī)模城市污水處理系統(tǒng)〔40〕，還是在給水廠飲用水處理工藝〔41〕中，臭氧氧化技術在去除水中殘留藥物方面應用較為廣泛。G.C.GHOSH等〔42〕指出，臭氧氧化作為污水處理廠的三級處理工藝在流感流行期間可以大大降低污水處理廠廢水中OC的濃度。H.MESTANKOVA等〔43〕研究了臭氧氧化對污水中奧司他韋酸（OA）的去除效果。結(jié)果顯示，當臭氧量為0.3 g/g（以單位質(zhì)量的溶解性有機碳所消耗臭氧質(zhì)量計）時，超過50%的OA被去除；當臭氧量為0.5 g/g時，處理后污水中OA的濃度低于檢測限〔40〕。G.FEDOROVA等〔44〕研究了污水中金剛胺（AM）、OC和扎那米韋（ZA）3種抗流感藥物在Uppsala和Stockholm的2個污水處理廠的臭氧氧化去除過程。結(jié)果表明，暴露于臭氧3.5 h（40 L反應器耗用臭氧總劑量為5.95 g）后，3種藥物均被完全去除，其降解先后順序為ZA＞OC＞AM；對于檢測到的各藥物的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，除了AM的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物（來自Stockholm污水廠）外，其余均被去除。由于較低的TOC、COD以及磷含量和較高的p H，Uppsala污水處理廠廢水中所有化合物的去除率均相對較高。

臭氧氧化技術對水中抗病毒藥物的處理效果易受到各類水質(zhì)參數(shù)的影響，且其具有臭氧在水中溶解度較低、技術能耗大等缺點。未來應在臭氧氧化技術去除抗病毒藥物的反應機制、開發(fā)低廉高效的臭氧組合工藝以及降低臭氧的制備能耗等方面進行深入研究。

3.3 吸附技術

吸附技術具有綠色環(huán)保、簡單方便、選擇性好等特點。已有研究表明，活性炭吸附工藝對水中大多數(shù)藥品和個人護膚品（PPCPs）均有較好的去除效果〔45〕。Wenlong WANG等〔46〕評估了單壁碳納米管（SWCNT）、多壁碳納米管（MWCNT）和羧化碳納米管（SWCNT-COOH）3種碳納米管（CNTs）對抗病毒藥物奧司他韋（OE）及其代謝物OC的吸附行為。結(jié)果表明，當OE和OC初始濃度低于10-4mmol/L時，CNTs可以有效地從水溶液中去除90%以上的OE和OC；隨著初始濃度的增加，CNTs吸附位點趨于飽和，去除率逐漸降低。在吸附過程中，OE/OC的性質(zhì)和CNTs的特性，特別是碳納米管表面的含氧官能團（如SWCNT-COOH）發(fā)揮了重要作用。吸附技術與臭氧氧化技術聯(lián)用可以顯著提高對抗病毒藥物的去除效果。有研究〔47〕報道了日本某飲用水處理廠在采用顆?；钚蕴窟^濾聯(lián)合臭氧氧化技術的凈化處理中，奧司他韋的去除率為60%～88%；而在沒有采用此組合工藝的情況下，其去除率為0。

吸附技術是一種綠色環(huán)保的抗病毒藥物去除技術，但單獨使用時成本較高，限制了該技術的廣泛應用。為了進一步提高處理效果并降低運行成本，可以與其他技術相結(jié)合。此外，未來吸附技術的研究可以多關注天然吸附劑、低成本吸附劑以及當?shù)乜色@得的生物質(zhì)、廢污泥、高比表面積納米顆粒、碳納米管、石墨烯片等吸附劑，以提高技術的經(jīng)濟性。

4 結(jié)論與展望

（1）污水處理廠中的抗病毒藥物因難以去除而不斷在水環(huán)境中富集，對水環(huán)境水質(zhì)安全及人類健康構(gòu)成威脅。

（2）截止到目前，關于水環(huán)境中抗病毒藥物處理和去除的研究相對較少，現(xiàn)有的處理技術多集中于對單種抗病毒藥物的去除，且各技術又有其限制因素：生物處理技術針對水中不同種類藥物的去除效果差異很大，甚至存在處理系統(tǒng)被抗病毒藥物干擾破壞的風險；高級氧化技術處理效果相對較好，但對于不同種類的抗病毒藥物的去除效果也不盡相同；吸附技術是一種綠色環(huán)保的抗病毒藥物去除技術，但存在成本高、吸附能力不易被充分利用等缺點。目前，各類處理方法中只有極少部分應用于實際工程，因此尋求對水環(huán)境中抗病毒藥物有效去除的工藝勢在必行。

（3）針對抗病毒藥物污染的控制與監(jiān)測、適用于多種抗病毒藥物去除技術的研發(fā)以及實際水質(zhì)參數(shù)等因素對藥物去除的影響等方面的研究將繼續(xù)是未來研究的熱點。