水体去除水中抗生素的方法—高级氧化法

引言

近年来，抗生素污染因医疗农业及养殖业的广泛使用成为水环境治理的难点 [1]。抗生素的大量使用会导致其通过直接或间接的途径进入环境，进而造成环境污染、危害生物体健康[2]。环境中的抗生素不仅会对水生动物的肝脏、肾脏以及生殖能力等产生毒性效应，还可以通过食物链在生物体内不断累积放大，威胁着人体健康。现有技术如活性炭吸附仅转移污染物而无法降解抗生素，膜过滤易受污染堵塞，生物降解则受 pH、温度等环境条件制约等一系列制约问题，以及氯化处理会产生有毒副产物，对抗生素选择性高 [3]。因此，亟需开发兼具高效降解能力与生态安全性的新型处理技术，以应对抗生素污染的复杂挑战。

高级氧化法（AOPs）通过生成羟基自由基（（·OH）、硫酸根自由基（ SO₄⋅^- ）、超氧自由基（·O2-）等活性氧物种（ROS）的技术，已经在处理高毒性、难降解废水领域发挥了重要作用[4]。其核心优势在于反应速度快、氧化能力强，能通过链式反应将污染物彻底矿化为 CO₂ 和 H₂O ，兼具高效性与广谱性。根据产生自由基的方式及反应条件的不同，高级氧化法分为光催化氧化、电化学氧化、Fenton 氧化、类 Fenton氧化、臭氧氧化等。

2. 高级氧化法在水中抗生素去除中的应用

2.1 抗生素去除机理

AOPs 的降解机理主要依赖于羟基自由基 （⋅oH ）的强氧化作用，其氧化电位极高，能够无选择性地攻击有机污染物的分子结构。其机理主要是让难降解的大分子有机污染物通过高温高压、电、声、光辐射和催化剂等条件下氧化成低毒或无毒的小分子，从而达到去除效果 [5]。不同 AOPs 技术的适用条件存在显著差异：Fenton 反应需在酸性环境（ pH=2-4 ）下进行，以维持 Fe2+ 的溶解性和催化活性；臭氧氧化法则适用于中性至弱碱性条件（ pH=6-9 ），此时臭氧分解生成·OH 的效率最高；光催化氧化对pH 的适应性较广（ pH=3-9 ），但需要特定波长的光激发。这些技术差异直接影响抗生素的降解路径和效率，在实际应用中需根据目标污染物的特性和水质条件进行优化选择。

2.2 高级氧化法去除抗生素的效果

研究表明，高级氧化法在去除水中抗生素污染方面具有显著效果。例如，利用臭氧氧化法可以有效去除水中的环丙沙星、左氧氟沙星等氟喹诺酮类抗生素；Fenton 反应能够降解水中的青霉素、四环素等抗生素；紫外光 / 氯化法能够高效降解一些氨基糖苷类抗生素。不同类型的抗生素在不同的高级氧化法条件下表现出不同的降解效率，研究人员根据不同的水质和抗生素种类，优化处理条件，提高去除效果。随着研究的深入，高级氧化法在抗生素去除中的应用不断取得新的进展。一方面，通过优化催化剂、反应条件、氧化剂浓度等，进一步提高了抗生素的去除效率；另一方面，结合其他水处理技术，如吸附法、膜技术等，开发出了更加高效的组合处理技术，例如，将Fenton 反应与活性炭吸附相结合，可以实现抗生素的更彻底去除。

总而言之，高级氧化法的技术进展主要集中在催化剂的创新、反应条件的优化以及与其他技术的联合应用上，这些进展为水处理提供了更加高效、环保和经济的解决方案。

3. 高级氧化法在去除水中抗生素的挑战与前景

3.1 高级氧化法在去除水中抗生素的挑战

AOPs 技术在实际工程应用中面临持续性与稳定性、成本控制两大挑战，制约其大规模推广。在持续性与稳定性方面，实验室理想条件下的处理效果难以在实际复杂水质中重现。例如，Fenton 反应中铁催化剂对 pH 敏感，超出 pH=2～4 范围易失活，且腐殖酸等成分会与铁离子络合，降低催化活性；光催化材料（如 TiO2）长期运行会出现光腐蚀和表面污染，导致效率衰减，需频繁更换催化剂，增加运维成本；在成本方面，臭氧氧化法能耗高（电能转化效率仅 10～15% ），处理每吨水成本达3＼～5 元；紫外光催化需高强度光源，设备与电力投入大。此外，氧化剂（如H2O2）投加量高，加之 pH 调节等辅助工序，进一步推高费用。高昂成本使 AOPs 在与生物处理法竞争时处于劣势，尤其在大规模或水质波动大的场景中，其处理效果与能耗的正相关关系更限制了技术适用性。

3.2 高级氧化法在去除水中抗生素的前景

AOPs 在实际应用中常因单一技术的局限性（如催化剂失活、能耗高等问题）难以高效去除抗生素污染，因此研究者正通过组合工艺优化其性能。例如，将 AOPs 与生物处理或膜过滤技术结合，可形成协同效应：AOPs 优先降解高浓度抗生素，后续生物处理进一步矿化低浓度残留物，显著提升整体去除率。催化剂改良是另一关键方向，如纳米二氧化钛（TiO2）等复合材料通过增强光催化活性和稳定性，可提高降解效率并降低成本。此外，通过优化反应器设计（如多级 A/O 工艺）和参数（如碳氮比、pH），可改善系统适应性并降低能耗。未来需重点关注降解产物的毒性评估与二次污染防控，同时开发节能型反应体系（如光催化- 臭氧耦合技术），以推动AOPs 的商业化应用。

结论

水中抗生素污染治理面临传统技术效率低下的困境，而 AOPs 虽能高效降解抗生素，却受限于催化体系稳定性差和运行成本高两大瓶颈。未来突破方向包括：开发铁基复合材料或氮掺杂 TiO2 等抗干扰非均相催化剂，优化反应器设计以提升能效，预计可使处理效率提升30%～50% 、成本降低 40%～60% 。电芬顿和可见光催化等新兴技术已展现应用潜力，但需同步建立降解产物毒性评估体系及政策标准，通过多学科协作推动AOPs 规模化应用。

参考文献

[1] 邓力，李法松， 水环境中抗生素污染现状与检测方法[J]. 山东农业工程学院学报 ， 2020. 37（10）： p. 43- 45.

[2] 刘鹏霄，王旭，冯玲 ， 自然水环境中抗生素的污染现状、来源及危害研究进展 [J]. 环境工程 ， 2020. 38（05）： p. 36- 42.

[3] 张先超，孙子涵， 可持续水处理技术的进展、挑战和展望[J]. 广东化工 ， 2024. 51（18）： p. 159- 160+ 179.

[4] 罗司玲，艾建平，李文魁，等 ， 高级氧化技术降解典型抗生素的研究进展 [J]. 化工进展 ， 2025： p. 1- 23.

[5] 储明 ， 杨 . 陈 . 等 .， 水环境中抗生素去除方法的研究进展 [J]. 阜阳师范大学学报（自然科学版）， 2021. 38（02）： p. 45- 50+62 .

基 金 项 目： 重 庆 科 技 大 学 硕 士 研 究 生 创 新 计 划 项 目（Y KJCX 2420622）；大学生创新训练计划项目（2025089）