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圍剿水體殘留抗生素 低溫等離子體技術“放大招”
來源:科技日報 時間:2019/10/12 11:22:03 用手機瀏覽

抗生素是世界上用量最大、使用最廣泛的藥物之一。我國每年有成千上萬噸的抗生素類藥物被用于畜禽養殖業和人類醫療中。

現在人們知道,多數抗生素類藥物在人和動物機體內都不能夠被完全代謝,會以原形和活性代謝產物的形式通過糞便排到體外。而被排出體外后的抗生素代謝物仍然具有生物活性,還能在環境中進一步形成母體。如何降解處理水體中的抗生素,已成為環保治理之殤。

日前,中國科學院合肥物質科學研究院技術生物所黃青研究員課題組與安徽華豐環保節能科技有限公司(以下簡稱華豐環保)合作,研發了低溫等離子體廢水處理技術,利用自行研制的醫療廢水處理一體機產生臭氧,對喹諾酮類抗生素為代表的諾氟沙星進行降解處理。這種處理技術簡便易行、成本較低且一般不會產生二次污染,目前已成功應用于40多個污水處理案例。

與此同時,他們還利用表面增強拉曼光譜分析降解產物,研究了其降解諾氟沙星的效率及機理,相關研究成果發表在國際環境領域類專業期刊《光化層(Chemosphere)》上。

無從借鑒,須從基礎研究發端

“制藥工業、養殖業及醫院排放的污廢水,其成分非常復雜,不僅包括各種難降解有機物、各類細菌和病毒,還包含大量的抗生素。這些含有抗生素的廢水,一旦不經處理或者處理不達標排放至環境水體中,就會造成細菌耐藥性增強,嚴重影響生態平衡,同時對人體健康造成潛在威脅和風險。”在黃青研究員看來,研發新的既綠色環保又高效的抗生素廢水處理技術和設備迫在眉睫。

黃青告訴科技日報記者,等離子體是繼固態、液態、氣態之后的物質第四態,人工取得的方法是兩個電極之間外加高電壓,當達到擊穿電壓時氣體分子被電離產生的混合氣體就是等離子體。雖然放電過程中電子溫度很高,但重離子溫度很低,整個體系呈現低溫狀態,所以稱為低溫等離子體。

“在特定的條件下我們利用低溫等離子體,可以對抗生素起到較好的分解效果。”黃青說,由于低溫等離子體局部帶電,因此局部有氧化性、還原性,利用這種特性可以對環境污染進行治理。

早在10年前,黃青已在美國研究低溫等離子體對水體的作用這一課題,通過研究他發現了低溫等離子體可以殺滅藍藻并降解藻毒素,這一研究成果后來被國內外媒體廣泛報道。一個偶然的機會,黃青了解到國內水體抗生素超標嚴重,能否用低溫等離子體來降解抗生素、為水環境治理做點事呢?

由于低溫等離子體作用方式和產生物質的成分比較復雜,要做成能夠使用的技術,一切都無從借鑒,必須從基礎的研發開始起步。

“嚴格來說,從原理到技術,我們開展等離子體處理污染物的研究已經超過10年了。從2008年起,我就帶領課題組開展利用等離子體產生各種活性成分以及對各種分子作用機制的研究。我們從2016年開始和企業合作,研發有關水體有機污染物處理的等離子體技術,這一階段也有三、四年了。”黃青告訴記者,他們提出了利用低溫等離子體技術處理降解諾氟沙星的方案,并且發現處理過程中臭氧降解作用效果明顯。為此,他們還進一步研究了臭氧對諾氟沙星的降解機理。目前發現,低溫等離子體對分解水中常見的抗生素如諾氟沙星、土霉素、四環素、金霉素、強力霉素等均有較好效果。

此前,將低溫等離子體技術應用于水污染治理,國內外僅有高校和科研機構進行小試階段的報道。“但做出成套設備成熟應用于多個水污染治理項目,我們和合作企業可以說是走在了前列。”黃青說。

通力合作,新產品蘊藏大潛力

“這項技術從研發到轉化成產品,一路走來克服了多重困難。”黃青告訴記者,由于等離子體作用方式和機理復雜,對于不同物質處理的作用方式和機理可能都有所不同,所以需要開展機理方面的基礎研究。“而這對于企業而言,風險和周期長是不言而喻的。”黃青說,產品研發過程中,那些實驗室容易攻克的問題,在變成產品時卻難以繞開。低溫等離子體是一種高級氧化技術,但是,在適當條件下,它的作用既有氧化性又有還原性,針對不同物質的處理,需要研究各種作用方式和相關機理。在實用性方面,既要考慮和解決能耗問題,又要做成產品推向實用,因此,技術成果的轉化必須和企業合作。

“在成果轉化的過程中,我們的合作企業華豐環保給予了大力支持,解決了產品開發中的許多問題。”黃青說,特別是研發具體儀器產品的階段,合作企業能夠發揮產品生產的優勢,多方面助力,與研究團隊相向而行,使得諸多困難得以克服,取得了現在的成果。

“這項技術主要優點是不需添加任何藥劑、一般不會造成二次污染、簡便易行、成本較低,而且它還是一種復合處理技術,有處理多種物質的能力和潛力。”黃青表示,該技術的分解效率取決于抗生素殘留的初始濃度和作用時間,根據情況選擇條件,一般達到70%—90%即可;在一般情況下適當使用該技術,不會產生二次污染和環境危害。“而且成本不高,設備成本跟傳統水處理設備相比差不多,甚至還要略低一點,運營成本則比傳統水處理設備還要低20%—30%,一般企業都能負擔得起。”

推廣應用,水體清潔度將提高

黃青告訴記者,抗生素主要有三大來源:醫療廢水、養殖廢水和抗生素制藥企業的廢水。研究團隊與企業共同研發的“等離子體污水處理一體機”目前已經面市,對降解醫療廢水、養殖廢水、抗生素制藥企業廢水、生活污水等水體抗生素都取得了較好的效果。“等離子體生物技術”已入選《安徽省水污染物防治技術指導目錄》 。

“這項技術成果主要推廣應用的是醫療廢水處理領域,如合肥市20多家醫院、六安市20多家醫院、宿州市5家醫院,共計40多家醫院的醫療廢水處理工程均采用了本技術。”黃青說,從掌握的運行數據看,出水達標排放,運營穩定。

“目前,美國和歐洲的水體抗生素殘留值低于100納克每升,而我國東南部很多地區水體的抗生素殘留值已經超過200納克每升。”黃青說,隨著這項技術的推廣應用,再與限制使用抗生素等措施進行配合,將可以大大降低未來環境中的抗生素殘留,有望在5—10年時間,將我國水體抗生素殘留值降到歐美發達國家目前的水平。

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