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围剿水体残留抗生素 低温等离子体技术“放大招”

2019-10-11 10:37:10    责任编辑:    字体:

   抗生素是世界上用量最大、使用最广泛的药物之一。我国每年有成千上万吨的抗生素类药物被用于畜禽养殖业和人类医疗中。

  现在人们知道,多数抗生素类药物在人和动物机体内都不能够被完全代谢,会以原形和活性代谢产物的形式通过粪便排到体外。而被排出体外后的抗生素代谢物仍然具有生物活性,还能在环境中进一步形成母体。如何降解处理水体中的抗生素,已成为环保治理之殇。

  日前,中国科学院合肥物质科学研究院技术生物所黄青研究员课题组与安徽华丰环保节能科技有限公司(以下简称华丰环保)合作,研发了低温等离子体废水处理技术,利用自行研制的医疗废水处理一体机产生臭氧,对喹诺酮类抗生素为代表的诺氟沙星进行降解处理。这种处理技术简便易行、成本较低且一般不会产生二次污染,目前已成功应用于40多个污水处理案例。

  与此同时,他们还利用表面增强拉曼光谱分析降解产物,研究了其降解诺氟沙星的效率及机理,相关研究成果发表在国际环境领域类专业期刊《光化层(Chemosphere)》上。

  无从借鉴,须从基础研究发端

  “制药工业、养殖业及医院排放的污废水,其成分非常复杂,不仅包括各种难降解有机物、各类细菌和病毒,还包含大量的抗生素。这些含有抗生素的废水,一旦不经处理或者处理不达标排放至环境水体中,就会造成细菌耐药性增强,严重影响生态平衡,同时对人体健康造成潜在威胁和风险。”在黄青研究员看来,研发新的既绿色环保又高效的抗生素废水处理技术和设备迫在眉睫。

  黄青告诉科技日报记者,等离子体是继固态、液态、气态之后的物质第四态,人工取得的方法是两个电极之间外加高电压,当达到击穿电压时气体分子被电离产生的混合气体就是等离子体。虽然放电过程中电子温度很高,但重离子温度很低,整个体系呈现低温状态,所以称为低温等离子体。

  “在特定的条件下我们利用低温等离子体,可以对抗生素起到较好的分解效果。”黄青说,由于低温等离子体局部带电,因此局部有氧化性、还原性,利用这种特性可以对环境污染进行治理。

  早在10年前,黄青已在美国研究低温等离子体对水体的作用这一课题,通过研究他发现了低温等离子体可以杀灭蓝藻并降解藻毒素,这一研究成果后来被国内外媒体广泛报道。一个偶然的机会,黄青了解到国内水体抗生素超标严重,能否用低温等离子体来降解抗生素、为水环境治理做点事呢?

  由于低温等离子体作用方式和产生物质的成分比较复杂,要做成能够使用的技术,一切都无从借鉴,必须从基础的研发开始起步。

  “严格来说,从原理到技术,我们开展等离子体处理污染物的研究已经超过10年了。从2008年起,我就带领课题组开展利用等离子体产生各种活性成分以及对各种分子作用机制的研究。我们从2016年开始和企业合作,研发有关水体有机污染物处理的等离子体技术,这一阶段也有三、四年了。”黄青告诉记者,他们提出了利用低温等离子体技术处理降解诺氟沙星的方案,并且发现处理过程中臭氧降解作用效果明显。为此,他们还进一步研究了臭氧对诺氟沙星的降解机理。目前发现,低温等离子体对分解水中常见的抗生素如诺氟沙星、土霉素、四环素、金霉素、强力霉素等均有较好效果。

  此前,将低温等离子体技术应用于水污染治理,国内外仅有高校和科研机构进行小试阶段的报道。“但做出成套设备成熟应用于多个水污染治理项目,我们和合作企业可以说是走在了前列。”黄青说。

  通力合作,新产品蕴藏大潜力

  “这项技术从研发到转化成产品,一路走来克服了多重困难。”黄青告诉记者,由于等离子体作用方式和机理复杂,对于不同物质处理的作用方式和机理可能都有所不同,所以需要开展机理方面的基础研究。“而这对于企业而言,风险和周期长是不言而喻的。”黄青说,产品研发过程中,那些实验室容易攻克的问题,在变成产品时却难以绕开。低温等离子体是一种高级氧化技术,但是,在适当条件下,它的作用既有氧化性又有还原性,针对不同物质的处理,需要研究各种作用方式和相关机理。在实用性方面,既要考虑和解决能耗问题,又要做成产品推向实用,因此,技术成果的转化必须和企业合作。

  “在成果转化的过程中,我们的合作企业华丰环保给予了大力支持,解决了产品开发中的许多问题。”黄青说,特别是研发具体仪器产品的阶段,合作企业能够发挥产品生产的优势,多方面助力,与研究团队相向而行,使得诸多困难得以克服,取得了现在的成果。

  “这项技术主要优点是不需添加任何药剂、一般不会造成二次污染、简便易行、成本较低,而且它还是一种复合处理技术,有处理多种物质的能力和潜力。”黄青表示,该技术的分解效率取决于抗生素残留的初始浓度和作用时间,根据情况选择条件,一般达到70%—90%即可;在一般情况下适当使用该技术,不会产生二次污染和环境危害。“而且成本不高,设备成本跟传统水处理设备相比差不多,甚至还要略低一点,运营成本则比传统水处理设备还要低20%—30%,一般企业都能负担得起。”

  推广应用,水体清洁度将提高

  黄青告诉记者,抗生素主要有三大来源:医疗废水、养殖废水和抗生素制药企业的废水。研究团队与企业共同研发的“等离子体污水处理一体机”目前已经面市,对降解医疗废水、养殖废水、抗生素制药企业废水、生活污水等水体抗生素都取得了较好的效果。“等离子体生物技术”已入选《安徽省水污染物防治技术指导目录》 。

  “这项技术成果主要推广应用的是医疗废水处理领域,如合肥市20多家医院、六安市20多家医院、宿州市5家医院,共计40多家医院的医疗废水处理工程均采用了本技术。”黄青说,从掌握的运行数据看,出水达标排放,运营稳定。

  “目前,美国和欧洲的水体抗生素残留值低于100纳克每升,而我国东南部很多地区水体的抗生素残留值已经超过200纳克每升。”黄青说,随着这项技术的推广应用,再与限制使用抗生素等措施进行配合,将可以大大降低未来环境中的抗生素残留,有望在5—10年时间,将我国水体抗生素残留值降到欧美发达国家目前的水平。

来源:新华网

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