臭氧催化氧化在抗肿瘤、激素类药物废水灭活的应用研究

顾永明，邱家洲，唐国卿

（1.上海惠永制药有限公司，上海 200131；2.江苏康尔环境科技有限公司上海分公司，上海 201114）

制药工业属于精细化工，其工艺流程复杂繁琐，生产原料的种类多、用量大、利用率低，形成的副产物多而杂，致使制药废水的成分十分复杂[1-3]。制药废水主要包括化学合成制药废水、抗生素制药废水、中成药制药废水以及各类制剂生产过程的洗涤水和冲洗废水四大类。其废水的特点是：水质变化幅度大、成分复杂、有机物含量高、毒性大、色度深和含盐量高，且间歇排放，属于难处理的工业废水。随着我国医药工业的高速发展，制药废水已逐渐成为主要的污染源之一，如何处理该类废水是当今的一个难题。根据国家环保法规要求，含有药物活性成分的制药废水，应进行预处理灭活，经灭活后再根据废水种类分类收集、分质处理。而多数药企在研发和生产过程中都会产生含有细菌、病毒以及具有生物活性的废水，还有些废水属于内分泌干扰物等新兴污染物（RECs），即使在浓度很低的条件下仍然可以保持活性，对生态系统和人类健康产生不利影响，具有很大的危害性。据相关文献报道，含抗生素的制药废水在进入污水处理厂后会抑制污水处理装置运行中的有益微生物生长甚至将其杀死。由于经常接触抗生素，在废水中的微生物种群比其他环境中的微生物种群更容易发生抵抗机制，从而产生耐药微生物。在未经处理的废水水相及固相中均发现大量抗生素化合物[4-5]。环境中最常见的激素是雌激素，有一种合成的雌激素常被用作避孕剂和雌激素替代疗法，因此雌激素及其代谢产物成为新兴制药污染物中含量较丰富的类别。17-β乙炔雌二醇的代谢产物，雌酮（E1）是造成水生生物影响的一种最强大的干扰物，它们在河流环境中的存在会导致生物体的生殖系统发育不良。研究表明，在城市污水处理厂的进水和出水中，雌激素的浓度分别为5～ 188 ng/L，0.3～ 12 ng/L[6]。因此，此类制药废水需灭活处理后方可进入后续污水处理工艺再达标排放。

制药废水目前传统的灭活方法主要为热灭活和化学灭活。传统灭活方式存在一定的工艺技术短板：普遍采用的热灭活方法，为了保证达到一定的灭活效果，需要将废水温度提高100 ℃以上，甚至130 ℃，灭活时间需要达到30 min 以上。灭活过程不仅投资成本较高，且升温所需大量蒸汽或热源导致吨水灭活运行费用非常高，另外灭活后废水还需要冷却降至常温后方可进行后续生化处理，因此高温灭活方法的经济性较差。化学灭活也同样存在药剂消耗量大，灭活过程添加的大量化学药剂对后续生化处理非常不利的缺点。如何选用一种新型环保高效的灭活方法是目前制药废水处理的关键。臭氧灭活是一种绿色无污染的灭活方式，通过臭氧高级氧化组合工艺产生强氧化性的羟基自由基，可以无差别地破坏制药废水中的生物活性物质，从而达到灭活目的[7]。

高级氧化技术（AOP）是指以羟基自由基（·OH）作为主要氧化剂的氧化过程。典型的AOP 处理方法有O3/UV、O3/H2O2、UV/ H2O2、H2O2/Fe2+（Fenton试剂）、电化学氧化、光催化氧化、超声波氧化、催化湿式氧化等组合[8-10]。羟基（·OH）氧化还原电位高达2.85 V，仅次于氟（3.06 V），而HClO 仅为1.49 V，通过羟基（·OH）的强氧化能力，使水中难降解有机物长链断裂、氧化，把大分子分解为小分子，最后矿化成CO2、H2O 或矿物盐。但生成·OH 的效率非常低，且其寿命非常短，仅能保持77 纳秒（ns），导致扩散距离也短，仅为20 纳米（nm）。因此，AOP 的技术关键是：①·OH 产生的效率高（电耗低）；②气水高效混合并充分反应，减少无效反应。

本试验对象为抗肿瘤类药物、激素类药物制备过程中产生的废水，废水含有潜在生物活性风险的药物成分，需要通过预处理将其去除（失活）后再与其他废水合并排入污水处理系统进行进一步处理。本试验通过采用臭氧与紫外线及双氧水相结合的组合工艺的催化氧化技术，产生羟基自由基，对该抗肿瘤药物废水的灭活效果进行研究分析。

1 试验部分

1.1 仪器和试剂

仪器：KCF-ZT50 臭氧发生器产自江苏康尔臭氧有限公司；SS151GN 型紫外线仪购自日本セン特殊光源株式会社；5B-1F（V10）智能消解仪购自上海连华实业有限公司；5B-3B（V11）多参数水质测定仪购自上海连华实业有限公司；高效液相色谱仪（HPLC）购自安捷伦、Waters、岛津。

药剂：过氧化氢（30%）分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2 AOP 反应装置

实验室组装，包含臭氧发生器（内置制氧机）、臭氧浓度计、紫外线仪、双氧水加注器、反应塔（φ65 mm×2 000 mm）、高压射流装置及臭氧尾气分解装置，其流程示意图见图1。

图1 AOP 反应装置流程图Fig.1 Flow chart of AOP reaction system

1.3 AOP 反应条件

采取序批式的臭氧AOP 处理方式，臭氧浓度为120 g/m3（N），臭氧气量：0.20 L/min，通过控制反应时间、紫外线强度及双氧水投加量来确定最佳投加量。

1.4 HPLC 检测条件

采用十二烷基硫酸钠溶液-乙腈-甲醇作为流动相，色谱柱Kromasil 100-5-C18（4.6 mm×250 mm，5 µm），流速1.5 mL/min，柱温25 ℃，进样量10 µL，检测波长254 nm。

2 结果与讨论

分别选取上海某制药有限公司的三种抗肿瘤药物和一种激素类药物废水为处理对象，采用臭氧AOP（臭氧/紫外线/双氧水）组合工艺进行灭活小试试验的应用研究。

2.1 废水的水质及物理性状

选取上海某制药有限公司的三种抗肿瘤药物（分别为LN-001、LN-005、LN-013）和一种激素类药物的废水（LN-017）的水质及物理性状见表1。

表1 各水样的水质及物理性状Tab.1 Water quality and physical properties of each water sample

2.2 药物活性组分的破坏

为探讨臭氧AOP 对抗肿瘤和激素类药物废水的分解效果，对三种抗肿瘤药物和一种激素类药物废水进行序批式臭氧AOP 处理，通过高效液相色谱测定经臭氧AOP 处理前后该药物的浓度变化，来判断臭氧AOP 的处理效果。

经研究发现，抗肿瘤药物和激素类药物废水随着废水中所含有机物（COD）的增多，臭氧AOP 所需臭氧投加量（即序批式方式的臭氧反应时间）随之增长。当三种抗肿瘤药物（LN-001、LN-005、LN-013）和激素类药物LN-017 制备过程中产生的废水在通入臭氧AOP 反应时间分别在240、40、150 和70 min 时（见表2），其所含的药物组分消失，证明获得了灭活效果。

表2 各抗肿瘤药物废水灭活所需臭氧AOP 反应时间Tab.2 Ozone AOP reaction time required for inactivation of wastewater from various anti-tumor drugs

2.2.1 抗肿瘤药物LN-001 废水经臭氧AOP 处理效

抗肿瘤药物LN-001 废水的HPLC 保留时间在11.766 min（特征峰）。臭氧AOP 反应时间240 min后的LN-001 废水，在保留时间11.766 min 的特征峰消失（见图2）。证明经臭氧AOP 处理，废水中该LN-001 药物成分得到了很好地去除或降解。

图2 LN-001 样品AOP 处理前后HPLC 图谱Fig.2 HPLC chromatogram of LN-001 sample before and after AOP treatment

2.2.2 抗肿瘤药物LN-005 废水经臭氧AOP 处理效果

抗肿瘤药物LN-005 废水的HPLC 的保留时间Rt 在16.980 和13.537 min（特征峰）。臭氧AOP 反应时间40 min 后的LN-005 废水，在保留时间16.980和13.537 min 的特征峰消失（见图3）。证明经臭氧AOP 处理，废水中该LN-005 药物成分得到了很好地去除或降解。

图3 LN-005 样品AOP 处理前后HPLC 图谱Fig.3 HPLC chromatogram of LN-005 sample before and after AOP treatment

2.2.3 抗肿瘤药物LN-013 废水经臭氧AOP 处理效果

抗肿瘤药物LN-013 废水的HPLC 保留时间Rt在7.418 min（特征峰）。臭氧AOP 反应时间150 min后的LN-013 废水，在保留时间7.418 min 的特征峰消失（见图4）。证明经臭氧AOP 处理，废水中该LN-013 药物成分得到了很好地去除或降解，由大分子转化成了小分子，所以在更低的HPLC 保留时间Rt 轴上出现了其降解后物质的特征峰。

图4 LN-013 样品AOP 处理前后HPLC 图谱Fig.4 HPLC chromatogram of LN-013 sample before and after AOP treatment

2.2.4 激素类药物LN-017 废水经臭氧AOP 处理效果

激素类药物LN-017 废水的HPLC 保留时间Rt在18.436 min（特征峰）。臭氧AOP 反应时间70 min后的LN-017 废水，在保留时间18.436 min 的特征峰消失（见图5）。证明经臭氧AOP 处理，废水中该LN-017 药物成分得到了很好地降解，由大分子转化成了小分子，所以保留时间Rt 轴上出现了其降解后物质的特征峰。

图5 LN-017 样品AOP 处理前后HPLC 图谱Fig.5 HPLC chromatogram of LN-017 sample before and after AOP treatment

综上分析，经臭氧AOP 处理（根据三种抗肿瘤药物和一种激素类药物产生的废水水样的有机物含量不同，AOP 处理时间不同），废水中该药物成分得到了很好地去除或降解，证明臭氧AOP 处理能氧化去除该类具有生物活性风险的药物成分。

2.3 COD 的降解效果

通过臭氧AOP 处理后COD 的去除率也可间接反映对抗肿瘤药物和激素类药物废水的去除或降解效果。表3 的结果表明，经臭氧AOP 处理，三种抗肿瘤药物（LN-001、LN-005、LN-013）和一种激素类药物LN-017 废水的COD 去除率分别为30%、34.5%、28.0%和39.6%。说明臭氧AOP 具有较好的去除或降解该类药物废水的效果。

表3 各水样经臭氧AOP 处理的COD 去除效果Tab.3 COD removal efficiency of various water samples treated with ozone AOP

2.4 色度的降解效果

发色物质中不带苯环的碳氧化合物（如羧酸、酯、酮和醛等）、芳香族化合物和含氮碳氧化物含量较多。它们的分子结构中含有烯键、羧基、酰胺基、磺酰胺基、羰基、硝基等生色团，并且含有-NH2、-NHR、-NR2、-OR、-OH、-SH 等助色团。它们之间相互作用使其在水中呈现不同颜色。臭氧氧化作用可以将废水中的发色基团发生断裂或改变其化学结构，从而达到废水脱色的目的。本试验抗肿瘤药物LN-005 和激素类药物LN-013 废水分别呈淡橙红色和橙红色，经臭氧AOP 处理，反应时间分别为5 min 和12 min 后，废水颜色逐渐褪去而呈无色透明状态（见图6 及图7）。说明臭氧AOP 对该类废水具有明显的脱色效果。

图6 AOP 处理前各水样颜色Fig.6 Color of each water sample before AOP treatment

图7 AOP 处理后各水样颜色Fig.7 Color of each water sample after AOP treatment

3 结论

采用臭氧AOP（臭氧/紫外线/双氧水）组合工艺对三种抗肿瘤药物和一个激素类药物制备过程产生的废水的灭活小试试验的应用研究表明，用HPLC分析检测和COD 分析检测都证明臭氧AOP 对该类抗肿瘤和激素类废水灭活效果较好，HPLC 特征峰消失，COD 去除率在28%～ 40%。另外臭氧AOP 也有显著的脱色效果，在较短的反应时间内（5～ 12 min）就可以达到去除色度的效果。

由于臭氧AOP 技术具有较强的氧化能力和无二次污染的优势，无须调节酸碱，在中性条件下反应即可，也无须加热再冷却而在常温下反应即可，所以具有较好的经济性，对运行管理要求低，同时也为制药废水的灭活处理打开了新的思路，是极有发展前景的符合绿色环保的先进技术。