抗生素药渣资源化处置技术研究进展

高昕玥，翁君杰，唐冠韬，周 磊，赵鹏勃，王长安，车得福

（1.西安交通大学，动力工程多相流国家重点实验室，陕西 西安710049；2.宁波明州热电有限公司，浙江 宁波315000；3.西安西热锅炉环保工程有限公司，陕西 西安710054）

0 引 言

抗生素是生物活性物质的一种，主要用于治疗各种细菌感染或致病微生物感染类疾病，其主要由细菌、霉菌或其他微生物代谢产生，抗生素的应用对人类的医疗发展有着深远的影响。我国每年生产70多种抗生素，总产量很高，是名副其实的抗生素生产和消费大国，而我国抗生素出口量约占世界抗生素总出口量的70%。在抗生素生产过程中，不可避免地会产生大量的药渣，如果处理不当不仅会造成严重的生态环境污染问题，而且会引起严重的资源浪费，因此针对抗生素药渣的资源处置技术开展研究工作十分迫切。

微生物发酵制药后所产生的固体废弃物，即被称为抗生素药渣。抗生素生产过程中对原材料的利用率仅为1%～4%，由此在生产过程中产生大量废弃药渣。据悉，生产一种抗生素基本需要原材料10余种，每千克抗生素就需要消耗25～l00 kg的原材料，而原材料大部分残留在残渣中。研究表明，抗生素药渣不断在水体、土壤、污泥中进行迁移、吸附和自然降解，残渣中的抗生素会对环境产生严重的污染，容易增加土壤中耐药菌的数量，耐药菌通过水循环或者食物链循环传给人类，将会对人类的公共健康构成严重威胁。据悉，自2008年起，我国已将抗生素菌渣定性为危险固体废物，其高效安全处置问题十分重要。

抗生素药渣中通常含有残留的抗生素，但药渣中残留的抗生素含量很少，通常质量分数仅为0.004%～0.3%，除此外抗生素中主要含有丰富的有机物、营养物质以及添加矿物质等。若抗生素药渣不经处理而直接丢弃处理，会成为国家能源发展的负担；若抗生素药渣处理不当直接进入环境，造成资源浪费的同时更会严重影响人体健康和生态安全。因此，对于抗生素药渣，目前应该持续开发高效安全的抗生素药渣无害化处置技术，最大限度地实现药渣的“无害化、减量化、资源化”。

对于抗生素药渣，已有相关综述研究。但侧重点不尽相同，其中天津大学陈冠益系统地阐述了抗生素药渣类型、性质和危害，并归纳了各类热化学处理技术和非热化学处理技术，提出了用烘焙技术消除抗生素药渣的生物危险性的理念。河南工业大学的王金双主要从抗生素药渣的来源和特点进行分析，归纳总结了7种抗生素药渣处理手段，各种手段的优缺点需要进一步地深入对比分析。哈尔滨工业大学的公丕成从资源化技术和安全性评估两个方面对此进行总结，系统阐述了评估指标实现的技术困难。华北制药集团的刘勇刚认为抗生素药渣肥料化与能源化是规模化处置抗生素药渣的有效途径，并偏重于研究生物安全性检测方法与评估标准，但文中并未对抗生素进行分类研究，也未深入对比分析各处置技术的优劣。

本文综述了关于抗生素药渣资源化处置的主要技术现状，首先对抗生素进行了详细分类，进一步分析讨论了抗生素药渣成分及其特点，总结了目前抗生素药渣资源化处置技术的最新研究进展，分析了各处置技术的主要优缺点以及适用条件，最后对抗生素药渣处置技术的发展前景进行了展望，以期为抗生素药渣高效清洁安全处置提供一定的理论支撑与科学指导。

1 抗生素的种类与药渣成分

1.1 抗生素的种类

抗生素种类繁多，按照抗生素的化学结构及作用机理，将目前主要的抗生素总结归纳为β-内酰胺类抗生素、大环内酯类抗生素、四环素类抗生素、氨基糖苷类抗生素、多肽类抗生素以及其他种类抗生素6大类。

（1）β-内酰胺类抗生素

此类抗生素化学结构中具有β-内酞胺环，青霉素和头孢菌素是常见的此类抗生素，其作用机制相似，主要抑制抗革兰氏阳性菌的活性，通过抑制转肽酶干扰细胞壁的合成。

（2）大环内酯类抗生素

红霉素和罗红霉素等是临床常见的大环内酯类抗生素，此类抗生素以大环内酯为母体，通过羟基以苷键和1～3个糖分子相连。

（3）四环素类抗生素

四环素、土霉素和金霉素是临床常见的四环素类抗生素，该类抗生素是两性物质，通常在碱性水溶液中易降解，在酸性水溶液中则较稳定，四环素类抗生素由链霉菌提取，氢化骈四苯是其共同具有的基本母核，不同抗生素间仅取代基有所不同。

（4）氨基糖苷类抗生素

常见的氨基糖苷类抗生素有庆大霉素、链霉素和卡那霉素等，此类抗生素呈碱性，其化学结构中含有氨基醇环和氨基糖分子，并由配糖键连接成苷。

（5）多肽类抗生素

常见的多肽类抗生素有万古霉素。

（6）其他种类抗生素

抗生素种类不同造成抗生素药渣间成分可能存在着巨大不同，因此在药渣资源化利用过程中，需充分考虑药渣来源和成分差异性可能造成的影响，需在特定条件下根据实际需要和药渣成分特征，选取或者开发个性化的药渣资源化利用技术及方案。

1.2 抗生素药渣成分

生产抗生素过程中，培养基中放入能产生抗生素的微生物，经过发酵与培养后，在罐中对发酵液进行过滤，分离出滤液和滤饼，滤饼部分即为药渣。抗生素药渣一般外观呈豆腐渣样，含水率高，含有丰富的有机质，其主要成分为微生物菌丝体和未被利用的淀粉、黄豆粉和棉籽蛋白等有机质以及少量未被完全提取的抗生素和黄血盐、氯化铝和硫酸钙等代谢产物，以及在提取过程中的各种添加剂。因此，抗生素药渣通常含有大量有机质，且水分含量高，矿物质种类较复杂。

在抗生素中，菌丝体里含有蛋白质、几丁质、葡聚糖等有机物质，而蛋白质又占菌丝体的50%。杨杰荣[22]对青霉素的菌丝体进行研究后发现青霉素菌丝体的主要元素组成是C、H、O、N，其中C含量占44%，O含量占30%。在微生物发酵生产过程中，根据抗生素微生物的生化特性，提取抗生素药渣中有用成分的提取可分为从发酵液中提取出以及从菌丝体中提取出2种方式。但是通过这2种提取方式，抗生素药渣中都仍然会残留少量的抗生素、菌丝体以及中间代谢产物。而残留在药渣中的抗生素和菌丝体对其处理技术提出了更高要求，如果处理不当，残留的此类物质会对人体健康和环境保护造成不可逆的影响。

2 药渣处置技术研究现状与进展

科学合理的药渣处置技术，不仅能够安全环保地解决药渣造成的环境问题，还能够最大限度地利用药渣，使其有效的资源部分实现二次利用。目前，国外发达国家通常只生产技术成分高、附加值高的抗生素，而将常规抗生素生产推向发展中国家，而国外一般采用高温焚烧的方法处置药渣。而国内囿于抗生素生产规模大和难以支付焚烧法的高昂费用等原因，过去一般把抗生素药渣作为饲料或肥料进行处置，然而近年来越来越多的学者研发了替代的药渣资源化技术或方法。但是，药渣含水率高和存在残留抗生素是当前抗生素药渣安全处置技术面临的两大技术难题。堆肥化、能源化、填埋、饲料化、药渣脱毒以及其他综合利用技术是目前我国常采用的抗生素药渣处置技术。

2.1 堆肥化技术

药渣堆肥化技术是指人为依靠微生物（细菌和真菌等）发酵促进药渣中有机物腐殖化、矿质化和无害化，然后将其作为有机肥料使用。厌氧堆肥、好氧堆肥以及物理化学法堆肥是常用的药渣堆肥化技术。厌氧堆肥是厌氧微生物在缺氧或无氧条件下将有机质转化为甲烷和二氧化碳的堆肥化技术。好氧微生物利用药渣中有机质进行新陈代谢，从而氧化分解成小分子的生化过程被称为好氧堆肥。物理化学法制肥是目前企业中认可度较高的抗生素药渣处置技术，该技术先用物理化学法对抗生素药渣进行脱毒，然后再进行堆肥处理。该技术能实现抗生素药渣的资源化，在一定程度上能降解药渣中抗生素且操作成本较低，在农产品的品质提高与保护环境方面有着显著的效果，促进绿色“有机农业”发展。

已有众多学者对抗生素药渣单独堆肥或者与其它物质协同堆肥处置开展了研究工作，取得了一定的研究成果。张红娟等将林可霉素药渣与牛粪混合堆肥进行研究，结果表明堆肥处理可降解林可霉素里的抗生素，并且堆肥后的种子不具有毒性。Kakimoto等在青霉素药渣堆肥过程中，研究发现生物因素对青霉素的降解作用微小，氨和pH值水平等非生物因素对青霉素降解影响较大。华北制药集团将HB药渣与青霉素药渣混合，并通过微生物发酵进行堆肥处理，研究发现该肥料不仅降低残留青霉素活性而且还能提高土壤肥力，提高农产品产量。李路平等通过将污泥、抗生素药渣以及肌苷发酵渣液等混合加工成有机肥料，发现使用该化肥同样可以提高农作物的产量。Dolfiver等通过实验研究了金霉素、乐菌素和莫能菌素在堆肥处理过程中的降解率。Yang等在温度为55℃的环境下，将青霉素药渣和污水污泥进行3 d的混合堆肥处理，结果表明，肥料中的残留青霉素被完全去除并且大幅度地提高了种子的发芽指数。

堆肥处理技术是成本低、处理方便的技术手段，适用于毒副作用小、抗生素易降解的药渣。倘若药渣中残留抗生素没有被完全清除，那么长期加工成肥料使用的话，抗生素会流入到植物或微生物中累积并形成耐药性，从而造成生态中的潜在风险，所以必须要对抗生素菌渣再生产品的安全使用问题进行评估。

2.2 能源化技术

能源化技术主要是通过一定的热转化方式，将抗生素药渣转化为一定的能源资源或者热能进一步利用，该技术可以有效实现菌渣减量化、稳定化、资源化，常用的能源化技术有焚烧技术、热解产气技术和厌氧消化技术。

药渣焚烧技术是一种高温热处理技术，有机废物与充足的氧气在高温焚烧炉内混合燃烧，废物中的有毒有害物质在炉内实现氧化、热解。焚烧技术，是目前在有机固废处理领域应用最为广泛的处置方式之一，能在短时间内减少药渣数量，并消除有害物质且回收热量。但是由于抗生素药渣普遍含水率较高，有的抗生素药渣含水率可达总质量的80%以上，在直接焚烧之前需要进行干燥处理，并且抗生素药渣热值低，在焚烧过程中需要添加煤焦、汽油等辅助燃烧。因此药渣焚烧过程中大量SOx、NOx等有害气体，甚至二噁英、呋喃等有害物质将会产生，对环境产生巨大污染，同时该技术高耗能，高成本，且工艺复杂。

药渣热解产气技术是药渣在缺氧或无氧的环境下被高温分解为气体燃料（H2、CH4和CO等），有机液体燃料（甲醇、有机酸和焦油等）以及固定碳（焦炭、炭黑）等可储存性能源的技术。因为在厌氧或缺氧条件中，所以被分解产生的气体较少，且大部分的重金属被固化在焦炭之中，对环境的污染较小。而且热解技术具有很强的脱毒能力，资源化效果好，但运行成本高，在一定程度上限制了热解产气技术的发展。但该处置技术适用于稳定性强、毒副作用较大的抗生素药渣，具有一定的研究价值。目前热解气化技术的研究热点集中于城市固废、污泥及秸秆等生物质上，并相应取得了显著成果。由于在理化特性上，抗生素药渣与城市垃圾秸秆等生物质具有一定的相近性，所以也可以使用热解产气技术研究抗生素药渣。贡丽鹏用热解气化技术研究土霉素药渣，表明在温度为220～800℃时，土霉素药渣的失重率最大，达到了75%。对药渣进行动力学分析研究，发现提高升温速率，活化能和频率因子会降低，研究还耦合化学活化法与热解技术，制备出了吸附活性较高的活性炭。尤占平对链霉素、庆大霉素药渣进行研究，实验发现提高热解温度，能增加热解气产量，但会降低可凝结相约焦炭产量。焦永刚通过研究抗生素药渣热解处理的可行性，分析热解产物成分，得到可将热解工艺处理抗生素药渣的结论。

药渣厌氧消化技术是在厌氧环境下，抗生素药渣中的有机物质被厌氧菌分解成沼气和二氧化碳的过程，是一种高效的生物质转化技术。孙效新用厌氧消化技术研究多种抗生素药渣以及废液，实验发现厌氧消化技术能对青霉素、麦迪霉以及混合废液进行处理并制取沼气，而厌氧消化技术对土霉素药渣液的制备效果差。所以部分抗生素药渣可以引入厌氧消化处理技术，但厌氧消化技术并不适用于所有种类的抗生素药渣。Zhang等对头孢菌渣进行厌氧消化处理后发现，在一定条件下，经过碱热法预处理的药渣的产气量要高于未预处理的药渣，厌氧产气的效果明显提高。李士兰等用厌氧消化技术对卡娜霉素药渣和酒糟的混合燃料进行处理可以制取到品质较高的沼气。厌氧消化技术虽然能分解一部分抗生素药渣的有机质，但难以对残渣进行完全脱毒，无法保障安全性，并且抗生素药渣中的菌丝体具有刚性的细胞壁，厌氧消化技术难以完全破坏掉细胞壁，所以胞内的有机质释放量较少，难以充分利用。因此需要进行预处理破坏掉细胞壁，提高胞内有机质的释放率，从而显著提高沼气产率。当前使用厌氧消化技术处理抗生素药渣虽然取得了一定的进展，但未来仍需要在处理抗生素残留和破坏菌丝体中的细胞壁中开展进一步的深入研究。

此外，还有学者利用水煤浆与水热法等能源化技术处置抗生素药渣。例如，张晔把林可霉素药渣与淮北煤混合制成水煤浆，研究发现药渣能显著降低水煤浆的成浆浓度，而且与普通水煤浆相比，药渣水煤浆具有更低的活化能以及更容易着火等优点，但当前该技术还存在一定的行业壁垒，技术难以普遍推广。Zhang等用水热法处置抗生素药渣，并制备固体生物燃料，通过实验发现在200℃，反应时间为30 min时，固体燃料的回收率最高，为42.5%。目前水热法技术也尚不成熟，需要在高温高压的条件下进行，处置成本高，也需要考虑技术过程中复杂矿物质对水热反应器可能产生的腐蚀加剧问题。

2.3 填埋技术

填埋技术主要适用于不能再回收有效成分和能量的废弃物，药渣填埋技术将药渣储存在土壤中，药渣长期在微生物的作用下趋于无害化。然而，药渣填埋会占用大量的土地资源，且药渣通常具有较高的含水率，若处置不当还会产生大量的渗滤液污染地下水。虽然抗生素药渣填埋技术处置操作简单，成本较低，但极大占用我国有限的土地资源，还存在污染地下水的可能隐患。因此，目前已经很少有企业直接采用该技术大量处置抗生素药渣。

2.4 饲料化技术

部分抗生素药渣中富含的蛋白质、人体所需的氨基酸以及微量元素使抗生素药渣具有作为饲料蛋白质添加剂的潜力，抗生素药渣饲料化不仅能提高家禽的存活率且促进家禽生长，还能解决环境污染问题，具有较大的经济和环境效应。但是，药渣中的残留抗生素会通过饲料在动物体内富集，使动物产生抗药性，并且食用这些肉、蛋、奶等畜禽产品会通过食物链在人体内蓄积，进而危害人体健康。在抗生素药渣饲料化处理过程中，要充分考虑生物链富集作用带来的抗生素在人体进一步累计的潜在问题。

根据我国已发布的《国家危险废物名录》和《禁止在饲料和动物饮用水中使用的药物品种目录》，当前我国完全禁止抗生素药渣直接用作饲料，相关目录的制定和实施，对抗生素药渣资源化处理技术和实施方案的选择，提出了更高要求。

2.5 药渣脱毒技术

药渣脱毒即抗生素消除技术，将抗生素中的毒性脱除，主要有化学降解法和生物降解法。化学降解法，通过加入化学试剂使其失去活性，并加入酸碱溶剂破坏内部结构，而且酸碱浓度越高降解效果越明显。该技术降解耗时短，效果好，但是操作复杂，成本高，还会产生大量废水，对环境造成二次污染。孙宏丽等利用盐酸处理土霉素药渣的处理率达97%。马玉龙等使用酸碱溶剂对泰乐菌素药渣进行降解，研究发现酸碱对泰乐菌素均有降解作用，并且浓度越高降解越明显。陈学军使用酸碱溶剂对泰乐菌素进行降解，研究发现碱对泰乐菌素具有显著的降解作用，而酸对泰乐菌素降解效果不大。因此可知，酸碱溶剂对不同抗生素药渣具有不同的处理效果，实际采用该方法处理抗生素药渣时需有效控制关键参数。

药渣生物降解法是指利用抗生素药渣作为微生物培养的营养物质，微生物在生长的过程中将药渣中的有机物质分解矿化掉，从而达到降解抗生素的目的。生物降解法不仅操作简单而且安全无毒性。许晓玲研究红圆酵母对红霉素降解情况，研究发现红圆酵母能以红霉素作为唯一生长碳源，当在pH值为5.5，反应48 h的条件下，红圆酵母能对红霉素实现完全降解。丁惠君探究了HBT和SA与漆酶混合对磺胺类抗生素的降解影响，实验发现添加HBT对漆酶降解抗生素效果不大，添加SA对漆酶降解抗生素有作用，而且添加的浓度越高，对漆酶降解作用越明显。因此，提高微生物的酶活性并加快微生物的代谢作用是目前抗生素药渣生物降解的主要研究方向。

2.6 其他综合利用技术

除了上文提到的抗生素药渣处理技术外，近年来又有相关学者提出了一些其它的综合处置技术。大量营养物质残留在抗生素药渣中，如从青霉素菌丝体中可以提取麦角固醇和壳聚糖，活性炭、重金属离子吸附剂以及石膏缓凝剂的制备可以利用菌丝体。

周宝华等用青霉素药渣为原料制备活性炭，活化剂为碳酸钾，研究发现当活化剂与原料质量比为1∶3，在800℃下活化3 h，能得到7.1%的产物活性炭。陈黎等用热裂解法处置妥布霉素药渣，制备生物活性炭，研究发现活性碳具有多孔结构，而且表面含有丰富的官能团，能吸附重金属和有机污染物。Tan等人用氢氧化钠改性青霉素菌丝体吸附水中镍离子，研究发现当吸附5 h后，可吸附260 mg/g。由于抗生素药渣含水量较高，有学者提出用抗生素药渣制备石膏缓凝剂。Ren等研究发现在pH=11的溶液中，当温度为80℃时，制备出的青霉素菌丝石膏缓凝剂，与传统缓凝剂相比，能延长石膏凝结时间，且不会对石膏的机械性能产生影响。主要抗生素药渣资源化处置技术的特征以及主要优缺点见表1。

表1 主要抗生素药渣资源化处置技术对比Table 1 Comparison of the resource treatment technology of the main main antibiotic drug residue

刘波文等研究发现干青霉素菌丝体的热值高达21.13 MJ/kg，其中含有大量有机物，含碳量为44.08%，于是将青霉素菌丝体炭化成活性炭，但制备活性炭前，需要先对菌丝体进行干燥处理，这不仅能耗大，成本高，而且炭化过程中容易产生焦油和尾气等废弃物。故而此方法并不具备普遍适用性，成本高和利用率低是其不可忽视的致命缺陷。所以抗生素药渣基本没有实现减量化，大量剩余药渣仍需要进一步处置，这也可能是未来抗生素药渣处置的研究方向。

3 结 语

由于抗生素的结构和性质不同，导致对药渣资源化利用途径也不尽相同。因此，先需要根据药渣自身的性质进行分类，然后设计出不同资源化处理方法，目前对药渣安全处置的最大技术难题是含水率高和抗生素残留消除不彻底的问题。

当前国家已明令禁止把抗生素药渣进行饲料化生产，而堆肥化技术会使抗生素在植物与微生物体内富集从而形成耐药性，可能会导致潜在的生态风险。抗生素药渣的能源化技术是大规模解决抗生素药渣处置问题的有效途径之一，可以考虑将抗生素药渣与其它高热值燃料进行共燃共气化处置，以便解决药渣发热量偏低带来的高效热转化难题。直接填埋处置技术虽然操作简单，成本较低，但极大占用土地，还存在污染地下水的隐患。化学降解法技术操作复杂，且成本高，同时产生大量废水，易对环境造成二次污染，但其降解效果好，耗时短。生物降解技术，利用微生物对抗生素药渣进行降解，通过改造微生物的代谢和提高微生物的酶活性，是未来抗生素药渣研究的热点之一。

而综合利用技术提取抗生素里的有用成分，如麦角固醇、核糖核酸、重金属离子吸附剂等，虽然这些方法不具普遍适用性，且成本高，利用率低，但这可能是未来抗生素的主要研究方向。因此，针对不同抗生素药渣的特点，选择适合的抗生素药渣处理处置技术，最大限度地实现无害化、减量化、资源化处理抗生素药渣，对解决当前面临的环境问题具有重要意义。