顧永明，邱家洲，唐國卿

（1.上?；萦乐扑幱邢薰荆虾?200131；2.江蘇康爾環(huán)境科技有限公司上海分公司，上海 201114）

制藥工業(yè)屬于精細化工，其工藝流程復雜繁瑣，生產(chǎn)原料的種類多、用量大、利用率低，形成的副產(chǎn)物多而雜，致使制藥廢水的成分十分復雜[1-3]。制藥廢水主要包括化學合成制藥廢水、抗生素制藥廢水、中成藥制藥廢水以及各類制劑生產(chǎn)過程的洗滌水和沖洗廢水四大類。其廢水的特點是：水質(zhì)變化幅度大、成分復雜、有機物含量高、毒性大、色度深和含鹽量高，且間歇排放，屬于難處理的工業(yè)廢水。隨著我國醫(yī)藥工業(yè)的高速發(fā)展，制藥廢水已逐漸成為主要的污染源之一，如何處理該類廢水是當今的一個難題。根據(jù)國家環(huán)保法規(guī)要求，含有藥物活性成分的制藥廢水，應進行預處理滅活，經(jīng)滅活后再根據(jù)廢水種類分類收集、分質(zhì)處理。而多數(shù)藥企在研發(fā)和生產(chǎn)過程中都會產(chǎn)生含有細菌、病毒以及具有生物活性的廢水，還有些廢水屬于內(nèi)分泌干擾物等新興污染物（RECs），即使在濃度很低的條件下仍然可以保持活性，對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康產(chǎn)生不利影響，具有很大的危害性。據(jù)相關文獻報道，含抗生素的制藥廢水在進入污水處理廠后會抑制污水處理裝置運行中的有益微生物生長甚至將其殺死。由于經(jīng)常接觸抗生素，在廢水中的微生物種群比其他環(huán)境中的微生物種群更容易發(fā)生抵抗機制，從而產(chǎn)生耐藥微生物。在未經(jīng)處理的廢水水相及固相中均發(fā)現(xiàn)大量抗生素化合物[4-5]。環(huán)境中最常見的激素是雌激素，有一種合成的雌激素常被用作避孕劑和雌激素替代療法，因此雌激素及其代謝產(chǎn)物成為新興制藥污染物中含量較豐富的類別。17-β乙炔雌二醇的代謝產(chǎn)物，雌酮（E1）是造成水生生物影響的一種最強大的干擾物，它們在河流環(huán)境中的存在會導致生物體的生殖系統(tǒng)發(fā)育不良。研究表明，在城市污水處理廠的進水和出水中，雌激素的濃度分別為5～ 188 ng/L，0.3～ 12 ng/L[6]。因此，此類制藥廢水需滅活處理后方可進入后續(xù)污水處理工藝再達標排放。

制藥廢水目前傳統(tǒng)的滅活方法主要為熱滅活和化學滅活。傳統(tǒng)滅活方式存在一定的工藝技術短板：普遍采用的熱滅活方法，為了保證達到一定的滅活效果，需要將廢水溫度提高100 ℃以上，甚至130 ℃，滅活時間需要達到30 min 以上。滅活過程不僅投資成本較高，且升溫所需大量蒸汽或熱源導致噸水滅活運行費用非常高，另外滅活后廢水還需要冷卻降至常溫后方可進行后續(xù)生化處理，因此高溫滅活方法的經(jīng)濟性較差?；瘜W滅活也同樣存在藥劑消耗量大，滅活過程添加的大量化學藥劑對后續(xù)生化處理非常不利的缺點。如何選用一種新型環(huán)保高效的滅活方法是目前制藥廢水處理的關鍵。臭氧滅活是一種綠色無污染的滅活方式，通過臭氧高級氧化組合工藝產(chǎn)生強氧化性的羥基自由基，可以無差別地破壞制藥廢水中的生物活性物質(zhì)，從而達到滅活目的[7]。

高級氧化技術（AOP）是指以羥基自由基（·OH）作為主要氧化劑的氧化過程。典型的AOP 處理方法有O3/UV、O3/H2O2、UV/ H2O2、H2O2/Fe2+（Fenton試劑）、電化學氧化、光催化氧化、超聲波氧化、催化濕式氧化等組合[8-10]。羥基（·OH）氧化還原電位高達2.85 V，僅次于氟（3.06 V），而HClO 僅為1.49 V，通過羥基（·OH）的強氧化能力，使水中難降解有機物長鏈斷裂、氧化，把大分子分解為小分子，最后礦化成CO2、H2O 或礦物鹽。但生成·OH 的效率非常低，且其壽命非常短，僅能保持77 納秒（ns），導致擴散距離也短，僅為20 納米（nm）。因此，AOP 的技術關鍵是：①·OH 產(chǎn)生的效率高（電耗低）；②氣水高效混合并充分反應，減少無效反應。

本試驗對象為抗腫瘤類藥物、激素類藥物制備過程中產(chǎn)生的廢水，廢水含有潛在生物活性風險的藥物成分，需要通過預處理將其去除（失活）后再與其他廢水合并排入污水處理系統(tǒng)進行進一步處理。本試驗通過采用臭氧與紫外線及雙氧水相結合的組合工藝的催化氧化技術，產(chǎn)生羥基自由基，對該抗腫瘤藥物廢水的滅活效果進行研究分析。

1 試驗部分

1.1 儀器和試劑

儀器：KCF-ZT50 臭氧發(fā)生器產(chǎn)自江蘇康爾臭氧有限公司；SS151GN 型紫外線儀購自日本セン特殊光源株式會社；5B-1F（V10）智能消解儀購自上海連華實業(yè)有限公司；5B-3B（V11）多參數(shù)水質(zhì)測定儀購自上海連華實業(yè)有限公司；高效液相色譜儀（HPLC）購自安捷倫、Waters、島津。

藥劑：過氧化氫（30%）分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 AOP 反應裝置

實驗室組裝，包含臭氧發(fā)生器（內(nèi)置制氧機）、臭氧濃度計、紫外線儀、雙氧水加注器、反應塔（φ65 mm×2 000 mm）、高壓射流裝置及臭氧尾氣分解裝置，其流程示意圖見圖1。

圖1 AOP 反應裝置流程圖Fig.1 Flow chart of AOP reaction system

1.3 AOP 反應條件

采取序批式的臭氧AOP 處理方式，臭氧濃度為120 g/m3（N），臭氧氣量：0.20 L/min，通過控制反應時間、紫外線強度及雙氧水投加量來確定最佳投加量。

1.4 HPLC 檢測條件

采用十二烷基硫酸鈉溶液-乙腈-甲醇作為流動相，色譜柱Kromasil 100-5-C18（4.6 mm×250 mm，5 μm），流速1.5 mL/min，柱溫25 ℃，進樣量10 μL，檢測波長254 nm。

2 結果與討論

分別選取上海某制藥有限公司的三種抗腫瘤藥物和一種激素類藥物廢水為處理對象，采用臭氧AOP（臭氧/紫外線/雙氧水）組合工藝進行滅活小試試驗的應用研究。

2.1 廢水的水質(zhì)及物理性狀

選取上海某制藥有限公司的三種抗腫瘤藥物（分別為LN-001、LN-005、LN-013）和一種激素類藥物的廢水（LN-017）的水質(zhì)及物理性狀見表1。

表1 各水樣的水質(zhì)及物理性狀Tab.1 Water quality and physical properties of each water sample

2.2 藥物活性組分的破壞

為探討臭氧AOP 對抗腫瘤和激素類藥物廢水的分解效果，對三種抗腫瘤藥物和一種激素類藥物廢水進行序批式臭氧AOP 處理，通過高效液相色譜測定經(jīng)臭氧AOP 處理前后該藥物的濃度變化，來判斷臭氧AOP 的處理效果。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，抗腫瘤藥物和激素類藥物廢水隨著廢水中所含有機物（COD）的增多，臭氧AOP 所需臭氧投加量（即序批式方式的臭氧反應時間）隨之增長。當三種抗腫瘤藥物（LN-001、LN-005、LN-013）和激素類藥物LN-017 制備過程中產(chǎn)生的廢水在通入臭氧AOP 反應時間分別在240、40、150 和70 min 時（見表2），其所含的藥物組分消失，證明獲得了滅活效果。

表2 各抗腫瘤藥物廢水滅活所需臭氧AOP 反應時間Tab.2 Ozone AOP reaction time required for inactivation of wastewater from various anti-tumor drugs

2.2.1 抗腫瘤藥物LN-001 廢水經(jīng)臭氧AOP 處理效

抗腫瘤藥物LN-001 廢水的HPLC 保留時間在11.766 min（特征峰）。臭氧AOP 反應時間240 min后的LN-001 廢水，在保留時間11.766 min 的特征峰消失（見圖2）。證明經(jīng)臭氧AOP 處理，廢水中該LN-001 藥物成分得到了很好地去除或降解。

圖2 LN-001 樣品AOP 處理前后HPLC 圖譜Fig.2 HPLC chromatogram of LN-001 sample before and after AOP treatment

2.2.2 抗腫瘤藥物LN-005 廢水經(jīng)臭氧AOP 處理效果

抗腫瘤藥物LN-005 廢水的HPLC 的保留時間Rt 在16.980 和13.537 min（特征峰）。臭氧AOP 反應時間40 min 后的LN-005 廢水，在保留時間16.980和13.537 min 的特征峰消失（見圖3）。證明經(jīng)臭氧AOP 處理，廢水中該LN-005 藥物成分得到了很好地去除或降解。

圖3 LN-005 樣品AOP 處理前后HPLC 圖譜Fig.3 HPLC chromatogram of LN-005 sample before and after AOP treatment

2.2.3 抗腫瘤藥物LN-013 廢水經(jīng)臭氧AOP 處理效果

抗腫瘤藥物LN-013 廢水的HPLC 保留時間Rt在7.418 min（特征峰）。臭氧AOP 反應時間150 min后的LN-013 廢水，在保留時間7.418 min 的特征峰消失（見圖4）。證明經(jīng)臭氧AOP 處理，廢水中該LN-013 藥物成分得到了很好地去除或降解，由大分子轉(zhuǎn)化成了小分子，所以在更低的HPLC 保留時間Rt 軸上出現(xiàn)了其降解后物質(zhì)的特征峰。

圖4 LN-013 樣品AOP 處理前后HPLC 圖譜Fig.4 HPLC chromatogram of LN-013 sample before and after AOP treatment

2.2.4 激素類藥物LN-017 廢水經(jīng)臭氧AOP 處理效果

激素類藥物LN-017 廢水的HPLC 保留時間Rt在18.436 min（特征峰）。臭氧AOP 反應時間70 min后的LN-017 廢水，在保留時間18.436 min 的特征峰消失（見圖5）。證明經(jīng)臭氧AOP 處理，廢水中該LN-017 藥物成分得到了很好地降解，由大分子轉(zhuǎn)化成了小分子，所以保留時間Rt 軸上出現(xiàn)了其降解后物質(zhì)的特征峰。

圖5 LN-017 樣品AOP 處理前后HPLC 圖譜Fig.5 HPLC chromatogram of LN-017 sample before and after AOP treatment

綜上分析，經(jīng)臭氧AOP 處理（根據(jù)三種抗腫瘤藥物和一種激素類藥物產(chǎn)生的廢水水樣的有機物含量不同，AOP 處理時間不同），廢水中該藥物成分得到了很好地去除或降解，證明臭氧AOP 處理能氧化去除該類具有生物活性風險的藥物成分。

2.3 COD 的降解效果

通過臭氧AOP 處理后COD 的去除率也可間接反映對抗腫瘤藥物和激素類藥物廢水的去除或降解效果。表3 的結果表明，經(jīng)臭氧AOP 處理，三種抗腫瘤藥物（LN-001、LN-005、LN-013）和一種激素類藥物LN-017 廢水的COD 去除率分別為30%、34.5%、28.0%和39.6%。說明臭氧AOP 具有較好的去除或降解該類藥物廢水的效果。

表3 各水樣經(jīng)臭氧AOP 處理的COD 去除效果Tab.3 COD removal efficiency of various water samples treated with ozone AOP

2.4 色度的降解效果

發(fā)色物質(zhì)中不帶苯環(huán)的碳氧化合物（如羧酸、酯、酮和醛等）、芳香族化合物和含氮碳氧化物含量較多。它們的分子結構中含有烯鍵、羧基、酰胺基、磺酰胺基、羰基、硝基等生色團，并且含有-NH2、-NHR、-NR2、-OR、-OH、-SH 等助色團。它們之間相互作用使其在水中呈現(xiàn)不同顏色。臭氧氧化作用可以將廢水中的發(fā)色基團發(fā)生斷裂或改變其化學結構，從而達到廢水脫色的目的。本試驗抗腫瘤藥物LN-005 和激素類藥物LN-013 廢水分別呈淡橙紅色和橙紅色，經(jīng)臭氧AOP 處理，反應時間分別為5 min 和12 min 后，廢水顏色逐漸褪去而呈無色透明狀態(tài)（見圖6 及圖7）。說明臭氧AOP 對該類廢水具有明顯的脫色效果。

圖6 AOP 處理前各水樣顏色Fig.6 Color of each water sample before AOP treatment

圖7 AOP 處理后各水樣顏色Fig.7 Color of each water sample after AOP treatment

3 結論

采用臭氧AOP（臭氧/紫外線/雙氧水）組合工藝對三種抗腫瘤藥物和一個激素類藥物制備過程產(chǎn)生的廢水的滅活小試試驗的應用研究表明，用HPLC分析檢測和COD 分析檢測都證明臭氧AOP 對該類抗腫瘤和激素類廢水滅活效果較好，HPLC 特征峰消失，COD 去除率在28%～ 40%。另外臭氧AOP 也有顯著的脫色效果，在較短的反應時間內(nèi)（5～ 12 min）就可以達到去除色度的效果。

由于臭氧AOP 技術具有較強的氧化能力和無二次污染的優(yōu)勢，無須調(diào)節(jié)酸堿，在中性條件下反應即可，也無須加熱再冷卻而在常溫下反應即可，所以具有較好的經(jīng)濟性，對運行管理要求低，同時也為制藥廢水的滅活處理打開了新的思路，是極有發(fā)展前景的符合綠色環(huán)保的先進技術。