城市水环境中抗生素污染的研究进展

城市水环境中抗生素污染的研究进展

樊浩杰

(重庆交通大学 河海学院, 重庆 400074)

摘要：抗生素的频繁使用使其通过废水进入水环境，许多类型的抗生素由于难以降解而在环境中积累，对环境健康造成威胁。Fenton 反应作为一种有效的有机污染处理技术，特别适用于抗生素的处理，是目前最有前途的高级氧化技术之一。近年来 Fenton和类 Fenton反应广泛用于去除水中抗生素的研究。本文总结了各种Fenton和类 Fenton氧化技术在去除抗生素中的应用及其优缺点。与 Fenton氧化法相比，类 Fenton氧化法反应条件更温和，适用范围更广，循环时间提高，催化剂易回收。最后，基于上述分析，我们讨论了 Fenton氧化法和类 Fenton氧化法对抗生素去除的潜力。

关键词：水环境；抗生素；芬顿反应；类芬顿反应

1引言

抗生素是使致病菌失活或停止其生长的重要药物；抗生素表现出广泛的类型与应用、对微生物的选择性和其他特性[1]。环境中抗生素导致耐抗生素微生物群落的生长，促进细菌耐药性，受污染的水域成为耐抗生素基因（ARGs）的蓄水池，对水环境生态系统构成长期威胁。抗生素的降解和处理是减少这些化合物对水环境的影响关键问题。Fenton法因其成本低、操作简单、去除率高、能诱导完全矿化而受到越来越多的关注。该方法利用羟基自由基（•OH）作为强氧化剂实现对抗生素的降解，•OH 通过 H-原子提取反应、电子转移或对π体系的亲电加成来降解有机污染物。本文综述了来芬顿/类芬顿反应去除抗生素的研究进展，并讨论了目前芬顿/类芬顿氧化技术概况。

2.芬顿氧化去除水中抗生素

2.1传统芬顿氧化技术

芬顿指出有机物在含有铁离子和H2O2的溶液中可以迅速氧化为无机物。Fe2+和 H2O2的混合物是一种强氧化剂，称为芬顿试剂，可以有效降解水中许多难以降解的有机污染物。Fenton反应已成为去除有机污染物，特别是难降解有机污染物的最有效手段之一。具体机理如下式所示：

Fe2++H2O2→Fe3++•OH+OH-（1）

有机污染物+ •OH → H2O+中间产物→ H2O + CO2（2）

芬顿氧化过程生成的•OH在降解中起关键作用，可以在均相和异相中通过自由基链式反应进行，具有简单快速廉价等优点，被广泛研究用于去除各种抗生素。例如Gupta等[2]利用经典 Fenton 法，开展了对环丙沙星进行氧化降解的研究，结果表明 Fenton 法处理后的废水毒性降低。

2.2均相芬顿氧化技术

已发展的芬顿反应体系被称为均相类芬顿反应，具有催化效率高、反应成本低、环境友好等优点。光芬顿是在结合紫外线和芬顿试剂降解过程中，Fe2+催化 H2O2转化为•OH。光提供的能量可以加速 Fe3+还原为 Fe2+，催化H2O2分解产生额外的•OH。光芬顿具有反应时间短、降解效率高、易于控制等优点，缺点是光能利用效率低，能耗高。电芬顿是在酸性条件下电解，阳极氧化水生成少量的•OH，通过原O2产生H2O2，并控制反应速率。阳极氧化和电吸收均可处理有机污染物。电芬顿法具有易控制、效率高等优势。电芬顿体系具有由电化学反应产生的 H2O2自动生成机制，可连续产生H2O2，电解可在原位连续再生 Fe2+，产生大量•OH，降解抗生素的效率极高。Ganzenko等[3]使用掺杂硼的金刚石阳极和碳毡阴极，在电流作用下，四环素在 5min 内完全降解，矿化率达到 89%，电解 6 h 后生物需氧量（BOD）/COD比从 0.02 提高到 0.56，说明了电芬顿预处理的可行性。

2.3非均相类芬顿氧化技术

非均相类 Fenton 反应是指 Fe2+与 H2O2 在固体催化剂的作用下，通过引入辅助手段，增强 H2O2 的催化分解产生•OH，提高抗生素的催化降解效率的过程。非均相芬顿反应兼容的 pH 范围较广，产生的游离铁离子较少，操作简单、实用方便。此类型催化剂包括载体和主催化剂， 可以回收和重复使用降低成本。因此，这类催化剂也是均相芬顿法最具吸引力的替代品。到目前为止，有三种非均相芬顿体系：1）铁化合物 ，2）负载型 Fenton催化剂，3）多相 Fenton催化剂。例如，Hassani等人[4]使用纳米 Fe3O4作为去除抗生素的催化剂，选择环丙沙星（CIP）作为目标污染物，结果表明该催化剂对 CIP 的去除率达到 89%左右。

3.结论与展望

总结了近年来发表的均相芬顿反应和类芬顿反应的基本原理和优缺点。为解决均相类芬顿反应的缺陷，引入了非均相催化剂用于芬顿反应，用固体催化剂取代溶解的 Fe2+，发生了非均相芬顿反应。类 Fenton氧化具有去除率高、催化剂易回收、有效循环次数多等优点，成为最有效的废水处理手段之一。此外，综述了传统 Fenton反应和均/非均相Fenton反应在水环境中的抗生素降解。研究表明，非均相 Fenton反应特别适用于抗生素的处理，具有抗生素

降解效率高、催化剂易回收再利用等优点。近年来许多研究将 Fenton 试剂与光、电等刺激结合，以提高催化氧化效率，降低成本，但由于设备和技术的不完善无法实现工业废水的处理；试剂的水环境危害仍然必须消除，提高反应速度、经济效率和易于实施的物理方法仍然需要研究。

参考文献

[1]LIMfang,LIUYguo,ZENGGming,etal.Tetracyclineabsorbedontonitrilotriacetic acid-functionalized magnetic graphene oxide: Influencing factors anduptakemechanism[J].JournalofColloidandInterfaceScience,2017,485:269-279.

[2]GUPTAA,GARGA.DegradationofciprofloxacinusingFenton'soxidation:Effectofoperatingparameters,identificationofoxidizedby-productsandtoxicityassessment[J]. Chemosphere,2018, 193:1181-1188.

[3]GANZENKO O, OTURAN N, SIRÉS I, et al. Fast and complete removal of the5-fluorouracildrugfromwaterbyelectro-Fentonoxidation[J].EnvironmentalChemistryLetters, 2018, 16(1):281-286.

[4]HASSANIA,KARACAM,KARACAS,etal.Preparationofmagnetite nanoparticles by high-energy planetary ball mill and its application for ciprofloxacindegradationthroughheterogeneousFentonprocess[J].JournalofEnvironmentalManagement,2018, 211:53-62.