抗生素是治療和預防細菌感染的重要藥物，在人類醫療和動物養殖中使用量大，也是各類廢水中常見的污染物；醫院廢水、禽畜養殖廢水、抗生素生產廢水等都是典型的含抗生素的廢水。中國是抗生素生產與出口大國，每年生產超過70種大宗抗生素總計約1.3×106t，大宗抗生素原料藥的微生物發酵生產過程會產生大量高濃度抗生素殘留的廢水，其抗生素濃度比其他類別的廢水高幾個數量級，是環境中的高強度抗生素污染源?？股厣a廢水通常采用生化處理方法，高濃度的抗生素抑制微生物的生長，導致生化處理系統去除有機物等污染物的功能惡化；另外，廢水中的抗生素選擇壓力能夠促進廢水生物處理細菌群落中抗生素耐藥細菌(antibioticresistancebacteria，ARB)和抗生素耐藥基因(antibioticresistancegenes，ARGs)的富集和傳播，造成潛在的健康危害。因此，選擇合適技術對抗生素廢水進行處理，對控制抗生素與耐藥基因的環境排放至關重要。

由于含有高濃度有機物，抗生素生產廢水的處理主要采用厭氧生物處理技術。采用兩級升流式厭氧污泥床反應器(up-flowanaerobicsludgebed，UASB)處理稀釋后的發酵類抗生素廢水，化學需氧量(chemicaloxygendemand，COD)總去除率可達到78%~85%；采用顆粒污泥膨脹床反應器(expandedgranularsludgeblanket，EGSB)處理阿莫西林廢水，可去除85%的COD和80%的阿莫西林。然而，由于高濃度抗生素殘留和高含固等水質特征，傳統的基于顆粒污泥的厭氧生物處理工藝在處理抗生素廢水時存在啟動時間長、功能微生物受抗生素擾動、污泥易流失等問題，YI等開展UASB處理土霉素生產廢水的中試研究，發現土霉素的存在導致有機負荷提升困難、COD去除效率低，在有機負荷為1.2±0.2kg·m?3·d?1(以COD計)時COD去除率僅為51%±4%。更為重要的是，高濃度抗生素壓力下廢水生物系統富集的耐藥菌和耐藥基因會隨出水和剩余污泥進入環境。厭氧膜生物反應器(anaerobicmembranebioreactor，AnMBR)作為一種新型廢水生物處理技術，將厭氧反應器與膜組件進行耦合，具備反應器體積小、污泥產率低、有機負荷高等優勢，適合處理高含固和高濃度有機廢水，在餐廚垃圾、城市廢水、垃圾滲濾液的處理中展現出良好的性能，在抗生素廢水的生物處理方面也展現出良好的應用前景。然而，抗生素廢水中殘留的抗生素不僅會對厭氧生物處理過程產生抑制作用，還會誘導耐藥基因在污水、污泥中的賦存。目前已有文獻總結了抗生素對厭氧生物過程產生的負面影響，但其對AnMBR的影響機制和相關應對措施尚未得到全面分析，AnMBR在細菌耐藥性風險控制方面的優勢與潛力也未見系統報道。

本文在系統總結了AnMBR處理抗生素廢水的研究進展，綜述了AnMBR在抗生素壓力存在下效能變化與耐藥基因賦存情況，并對AnMBR處理高濃度抗生素生產廢水，實現廢水中常規污染物、抗生素與耐藥基因協同控制等方面提出展望，以期解決制藥廢水高效安全處理的行業難題，為我國耐藥性風險管控和制藥行業的綠色健康發展提供參考。

1、厭氧膜生物反應器處理抗生素廢水的研究進展

抗生素廢水成分復雜，不同藥物種類和生產工藝的抗生素廢水之間成分差異很大。其中，發酵類抗生素廢水通常具有高COD、高氨氮、高懸浮物、高抗生素殘留等特征，化學合成類抗生素廢水則通常是具有高生物抑制的難降解高鹽廢水。很多類型的抗生素廢水具有污染物濃度高、難降解且具有生物毒性的特點。AnMBR本身的反應器構造使其具備處理抗生素廢水的優勢。膜組件的存在實現了固體停留時間(solidretentiontime，SRT)和水力停留時間(hydrolysisretentiontime，HRT)的解耦，使反應器對常規污染物和抗生素的去除效果增加；同時通過膜組件將抗生素和攜帶耐藥基因的細菌攔截在反應器內，實現出水中耐藥基因的有效削減。

1.1 厭氧膜生物反應器對常規污染物和抗生素的去除

由于AnMBR同時具備厭氧技術和膜分離的優點，已有許多研究關注AnMBR對抗生素廢水的處理效果(表1)。在這些研究中，AnMBR的處理效果差異顯著，主要受廢水類型、抗生素的種類、抗生素的初始濃度以及反應器的運行參數等的影響。

從表1可以發現，AnMBR處理抗生素廢水的有機負荷在1.3~13kg·m?3·d?1，COD去除率在42.5%到97.0%之間。與UASB、EGSB等傳統厭氧廢水處理工藝相比，AnMBR所能承受的有機負荷更高，且在抗生素壓力下實現更好COD的去除效果，這是因為較長的SRT促進了生長較慢的微生物的富集，這些微生物的代謝活動實現了對有機物等污染物的高效降解。在厭氧發酵的過程中，發酵微生物、共生微生物和產甲烷微生物構成了主要的功能微生物群落，這些微生物的協同和共生關系對甲烷發酵過程起著重要作用。相較于傳統的厭氧懸浮污泥，厭氧生物膜群落擁有更高豐度的產甲烷微生物，因此具有更高的有機物去除率和甲烷產量。

AnMBR對模擬配水中的低濃度抗生素有較高的去除率，而對于基質復雜且抗生素濃度高的實際廢水，去除率在34.6%到79.8%之間(表1)。厭氧微生物的生物降解功能可能是AnMBR能夠去除抗生素的重要原因。AnMBR內高效的產甲烷過程同時是多種抗生素生物轉化的關鍵驅動因素，反應器中存在的胞外產電菌、互營桿菌、硫酸鹽還原菌等特異性微生物對抗生素的降解也有幫助作用。除生物降解之外，AnMBR中的膜組件和膜污染層的吸附與截留是實現抗生素削減的重要途經。與親水性抗生素相比，疏水性抗生素更容易被反應器內的污泥相吸附并截留，WIJEKOON等在AnMBR的污泥中發現了阿米替林等疏水性抗生素的積累。然而，目前研究多關注抗生素濃度在mg·L?1以下的抗生素廢水，并主要使用實驗室模擬配水，AnMBR處理高濃度抗生素殘留的發酵類抗生素生產廢水仍需更多的研究。

1.2 厭氧膜生物反應器對出水中耐藥基因的削減

目前針對AnMBR削減耐藥基因的研究十分有限，但已有研究證實了膜組件在去除出水中耐藥菌和耐藥基因上發揮著重要作用。例如，與常規活性污泥處理相比，采用膜生物反應器可以更有效地去除城市污水中的耐藥菌，降低耐藥基因的豐度。膜孔徑以及細胞膠體與膜組件之間的靜電相互作用是影響膜吸附截留去除水中耐藥基因的重要因素。適當的膜污染可以使膜的有效孔徑變小，有助于截留抗生素和耐藥基因。胞外聚合物(extracellularpolymericsubstance，EPS)和可溶性微生物產物(solublemicrobialproduct，SMP)作為膜污染層的主要成分，因其帶電官能團和交聯結構特性，可以與廢水中的耐藥基因相互作用并將其攔截在膜上，實現出水中耐藥基因的削減。因此，AnMBR也可通過膜組件的過濾作用將細菌攔截在反應器內，有效阻止耐藥菌與耐藥基因進入反應器出水中。WANG等采用AnMBR處理左氧氟沙星廢水，發現污染的生物膜可以有效控制耐藥基因(qnrS和qnrA)的傳播。然而，膜污染仍然是阻礙膜生物反應器廣泛應用的主要瓶頸問題，緩解膜污染與控制耐藥基因控制之間的平衡需要進一步研究。

2、抗生素對厭氧膜生物反應器運行效能和細菌耐藥性的影響

對于含低濃度抗生素的廢水，AnMBR相比傳統厭氧反應器具備更好的污染物去除效果；同時，AnMBR可以通過膜截留控制出水中的抗生素和耐藥基因。然而，AnMBR和其他的處理技術對廢水中抗生素都存在一定的耐受限值，當水中抗生素的濃度過高時，AnMBR也難以實現高效穩定運行。高抗生素壓力會妨礙AnMBR對抗生素廢水中的污染物去除，同時導致污泥的細菌耐藥性風險問題。

2.1 抗生素對厭氧膜生物反應器運行效能的影響

抗生素對厭氧消化過程存在多種抑制作用，例如有機酸積累、抑制沼氣產生、微生物群落失衡等，AnMBR在處理抗生素廢水的過程中同樣存在以上問題。與傳統厭氧處理技術相比，AnMBR中高豐度和高多樣性的細菌群落保障了高效的厭氧生物降解和產甲烷過程，但由于抗生素對微生物存在抑制和殺滅作用，從而選擇性干擾反應器內不同的微生物群，改變微生物物種的相對豐度，影響不同物種之間的相互作用，可能會導致AnMBR系統的處理效能降低。然而，目前針對抗生素對AnMBR影響的研究還相對較少。

表2總結了常見的抗生素對厭氧消化過程的抑制研究進展，研究表明不同種類和不同濃度的抗生素對厭氧系統產生的抑制程度不同。而針對同一種抗生素，不同的基質類型、操作條件以及微生物組成也會對其厭氧抑制程度產生較大影響。抗生素的存在會影響細菌對揮發性脂肪酸(volatilefattyacids，VFAs)的利用。當微生物群落暴露在高濃度四環素中時，產生VFAs的細菌豐度顯著增加，導致揮發性脂肪酸的積累，進而抑制生物產甲烷過程。抗生素與VFAs降解菌之間也被發現存在負相關關系?？股剡€可以通過使氫營養型產甲烷菌的占比增加來影響產甲烷菌的群落結構，進而影響甲烷產量。

廢水中抗生素濃度的增加同樣會改變AnMBR內微生物群落的組成，導致反應器處理效能下降。與AnMBR處理不含抗生素的廢水相比，在反應器內添加100μg·L?1的磺胺類抗生素后，在2周內COD去除率從98.7%±0.91%下降至92.0%±0.08%；WEI等發現當AnMBR內的磺胺甲惡唑濃度在10μg·L?1到1000μg·L?1時，COD去除率保持在96%以上不受影響，但磺胺甲惡唑濃度升高至100mg·L?1時，COD去除率下降至86.2%；使用AnMBR處理環丙沙星廢水時發現，4.7mg·L?1環丙沙星影響微生物物種的系統發育結構、豐富度與多樣性，導致COD去除率和甲烷產量等運行參數的下降。

抗生素還會加速膜組件的污染情況，降低膜的使用壽命和處理效能。當反應器受到抗生素等毒性物質沖擊時，內部絮體容易發生破損，粒徑減小，加速對膜的污染。在好氧膜生物反應器中，1μg·L?1的卡馬西平會導致附著在膜上的污泥絮體的平均粒徑從85μm減小至75μm?？股赝瑯右矔nMBR內部污泥絮體的粒徑產生影響，但需要更多直接證據支撐。此外，抗生素的存在會使AnMBR內的厚壁菌門、擬桿菌門和變形菌門等微生物的占比增加，這些微生物優先生長在膜的表面，且與污泥中胞外聚合物的生成呈正相關，這也說明了抗生素會加劇AnMBR的膜污染過程。

2.2 抗生素對厭氧膜生物反應器污泥中耐藥基因的影響

采用AnMBR處理含抗生素的廢水，由于膜截留功能，出水中耐藥基因傳播風險得到有效控制，但反應器污泥中仍可能產生和存在耐藥基因。AnMBR具有較高的污泥濃度和SRT，可以通過將抗生素吸附到污泥相中減少出水中的抗生素含量，攜帶耐藥基因的細菌也會通過膜分離過程留在AnMBR中。采用AnMBR處理含耐藥基因的液態食物垃圾，發現該方法實現了出水中耐藥基因的去除，但膜上的生物質主要保留或積累了耐藥基因。隨著廢水中磺胺甲惡唑濃度的升高，AnMBR中不動桿菌的數量增加，該結果與不動桿菌被報道為磺胺耐藥基因的宿主一致。有研究發現在模擬生活污水中添加10μg·L?1的紅霉素時，AnMBR系統生物質中耐藥基因ermF和sul1的豐度顯著增加，隨著抗生素濃度增加，生物質中的大多數耐藥基因都呈增加趨勢，這可能與微生物群落結構和耐藥基因對生物膜基質的親和力有關。隨著我國對污泥資源化利用的需求日益增長，污泥的資源化處置過程中對耐藥基因的控制受到廣泛關注。因此，需要在廢水進入反應器之前將抗生素去除，從源頭阻斷耐藥基因的傳播。

3、利用厭氧膜生物反應器強化抗生素廢水處理效能和阻斷耐藥基因傳播的技術策略

AnMBR使傳統厭氧處理中存在的污染物去除效率低、污泥易流失、反應器出水傳播耐藥菌和耐藥基因等問題得到有效緩解，但在處理含高濃度抗生素的廢水方面仍然存在挑戰，污泥中耐藥基因富集也需要關注。為此，首先需要構建“抗生素預處理技術+AnMBR”的組合處理工藝，廢水中的抗生素在進入AnMBR之前就將其選擇性去除；二是可以對AnMBR反應器的結構或工藝進行優化和改造，以進一步提高處理效能和改善膜污染。

3.1 抗生素預處理技術與厭氧膜生物反應器組合工藝

由于抗生素影響AnMBR的生物效能及可能造成污泥的耐藥性風險，因此在抗生素廢水進入反應器之前采用預處理手段選擇性去除抗生素可以保障生化處理效果，也是控制細菌耐藥性發展的最佳途徑。常見的預處理手段包括臭氧氧化、堿處理和強化水解技術等。

筆者團隊前期針對四環素類、β-內酰胺類等具有易水解特性的部分抗生素，開發了選擇性去除抗生素殘留的強化水解技術，在廢水進入生物處理系統之前通過調節pH、溫度和加入固體堿催化劑等，可以降低抗生素水解半衰期，實現了抗生素及其效價(抑菌活性)的高效去除和耐藥基因源頭控制。HE等通過強化水解技術處理含土霉素廢水，實現了土霉素99.7%的去除。通過將該技術與傳統厭氧生物處理進行耦合，YI等建立了“強化水解-UASB反應器”的中試裝置，發現強化水解技術可消除土霉素對厭氧生化處理階段的抑制，土霉素效價去除率大于99.9%，厭氧進水負荷從1.5kg·m?3·d?1提升至接近6kg·m?3·d?1，COD去除率可達到83.2%，UASB系統污泥總的四環素(tet)耐藥基因相對豐度和沒有采用預處理的UASB相比也減少了60%。進一步，將強化水解預處理應用于河北省某制藥廠的土霉素生產廢水處理工藝的升級改造中，處理水量為420m3·d?1，廢水中土霉素的濃度為727~1001mg·L?1，COD為9800~12000mg·L?1。工程實施后土霉素效價去除率為99%以上，厭氧處理系統的COD去除率為60-70%，和沒有預處理的厭氧系統相比，耐藥基因降低了83%以上，從而實現了土霉素生產廢水中抗生素、耐藥基因和常規指標的協同控制，改造后的噸水處理成本為10~20元，該成本會根據企業現場的熱源等條件有所變化。該技術的工程應用被世界衛生組織推薦為制藥廢水高效處理與耐藥性風險控制的典型案例。近期，田野通過小試實驗初步探究了“強化水解+AnMBR”應用于土霉素生產廢水的可行性，發現AnMBR在有機負荷10kg·m?3·d?1的條件下能夠穩定運行，COD去除率可達到65.0%±1.0%，為AnMBR應用于抗生素生產廢水的工程應用提供了重要的基礎。

圖1總結了各類厭氧生物處理對抗生素廢水污染物去除和耐藥性削減的效果，傳統的厭氧生物反應器在處理高濃度抗生素廢水的過程中不僅難以保障出水中污染物的達標排放，也難以避免耐藥基因的傳播問題；厭氧膜生物反應器可實現對污染物的高效處理，但效能也受抗生素殘留濃度的影響。同時，反應器內部的污泥中會有耐藥基因產生和富集。因此，在AnMBR前端增加強化水解預處理步驟，消除抗生素對生物處理工藝的負面影響，在實現常規污染物高效去除的同時，為抗生素耐藥性控制提供“抗生素水解”和“耐藥基因膜截留”的雙重保障，有助于實現抗生素廢水的高效處理與細菌耐藥性風險管控。

最近的研究表明，抗生素在預處理過程中產生的轉化產物可能具有與其母體化合物相似的結構，因此也可能貢獻效價。畜禽糞便和有機肥中四環素類抗生素的部分轉化產物存在一定的效價，盡管其效價弱于母體化合物，但仍然可能促進耐藥基因的富集傳播。筆者團隊的前期工作對紅霉素生產廢水中紅霉素A及其相關物質進行效價分析，發現除母體外，紅霉素A的2種生產副產物和3種轉化產物對廢水中的抗生素效價同樣具有重要貢獻。土霉素的兩種主要水解產物缺乏抑菌活性，但可能是土霉素廢水中不可生物降解有機物的重要組成部分，可在“強化水解+AnMBR”工藝后進一步增加深度處理工藝，保障末端水質。

3.2 膜生物反應器的優化與改造

在廢水中的抗生素被選擇性去除之后，為了進一步實現出水水質的提升，并減少膜污染，可以通過將現有的AnMBR與高溫厭氧、電化學等技術耦合，進行厭氧膜生物反應器工藝優化。常見的優化AnMBR有高溫厭氧膜生物反應器、厭氧流化床膜生物反應器和厭氧電化學膜生物反應器等。其中，高溫厭氧膜生物反應器在一定的水質和工程條件下具有很好的應用前景，其結合了嗜熱生物處理的優勢，提高了生物降解的速度，同時由于膜的存在，解決了嗜熱細菌絮凝和沉降能力差的問題，保持較高的污泥濃度。升溫有利于抗生素的水解，高溫體系中的嗜熱微生物群落也能夠進一步促進抗生素的生物降解。高溫條件也有助于消除耐藥基因和其宿主菌，例如利用高溫厭氧反應器處理含高濃度土霉素的模擬廢水，污泥中的耐藥基因宿主菌豐度占比從41.74%±2.60%下降至12.08%±1.02%。高溫厭氧膜生物反應器適合處理高有機負荷的含熱廢水，或前端經過高溫預處理的有機廢水。由于熱處理會影響聚合物膜的穩定性和耐久性，而熱穩定性更高的無機膜具有更高的成本，開發熱穩定性和耐久性更好的膜材料是高溫厭氧膜生物反應器發展的研究方向之一。

厭氧流化床膜生物反應器是在AnMBR的基礎上在反應器中投加生物膜載體(如活性炭、聚合氯化鋁、海綿等)而形成的新型工藝，在減緩膜污染方面具有優勢。生物膜載體的投加能夠提升污泥顆粒的粒徑、絮凝性和沉降性，減少水中胞外聚合物的濃度，并促進抗生素降解菌的生長和富集。在膜生物反應器中添加載體，一方面可以通過載體的吸附作用去除膠體物質，降低反應器內EPS和SMP等物質的濃度來減緩膜污染的形成，另一方面可以通過對膜的沖刷作用減少膜污染。采用添加海綿的膜生物反應器處理含抗生素的醫院廢水，對諾氟沙星、氧氟沙星、環丙沙星、四環素、甲氧芐啶等抗生素具有顯著的去除效果。但反應器長期運行過程中，載體的吸附能力逐漸耗盡并可能發生破裂，反而會加速對膜的污染。因此在實際應用的過程中，載體的維護與更換是亟需解決的問題。

在膜生物反應器中引入適宜強度的電場可以增強微生物活性，增加污泥表面電荷，從而使膜表面污泥層的穩定性降低，有效緩解膜污染問題。采用厭氧電化學膜生物反應器處理含氯四環素廢水，高效去除高濃度氯四環素(45mg·L?1)的同時減少出水中耐藥基因的增殖。但施加外部電壓后，發現污泥中四環素降解基因tetX和磺胺失活基因(mphA-01和drfA12)富集，外加電場可能導致耐藥基因水平轉移和微生物群落的轉移。電壓大小對反應器膜污染控制和ARGs變化的影響還需要進一步研究。DING等研究認為0.6V為兼顧性能和經濟性的最佳電壓，高壓條件(大于0.8V)會加重膜污染，抑制COD去除率和產甲烷活性。目前關于優化AnMBR處理抗生素廢水的研究還處在可行性的實驗室探索階段，特別是對于厭氧流化床膜生物反應器和厭氧電化學膜生物反應器的工程應用還需要進一步探索，對上述優化和改進的膜反應器處理抗生素廢水的運行機制、處理效果和影響因素等也需要進行更深入的研究。

4、結論與展望

1)AnMBR在處理抗生素廢水方面展現出良好的應用前景，通過將膜組件與厭氧反應器耦合，實現反應器內厭氧微生物的富集，促進了廢水中難降解有機物和抗生素等的降解，提升出水品質和甲烷產量，同時通過膜組件也可將抗生素和攜帶耐藥基因的細菌攔截在反應器內。

2)抗生素會影響AnMBR中微生物的厭氧處理過程和群落結構，導致處理性能降低并造成污泥中抗生素和耐藥基因的累積?？股氐姆N類和濃度、廢水組成、處理工藝的不同都會導致抗生素對厭氧處理影響程度的差異?？股氐拇嬖跁铀俜磻鞯哪の廴緺顩r。

3)在AnMBR之前將廢水中的抗生素效價去除是保障抗生素廢水常規污染物、抗生素和耐藥基因協同消減的最佳策略，為此提出針對抗生素廢水的“抗生素效價選擇性去除預處理-AnMBR”組合工藝，可利用強化水解等預處理技術實去除進水中的抗生素效價殘留，也能夠有效消減污泥中的抗生素和耐藥基因，實現廢水的高效短流程處理。

目前AnMBR處理抗生素廢水的相關研究仍然比較有限，綜合國內外含抗生素廢水處理的基礎研究和工程應用的發展情況，而未來可以從以下兩個方面開展研究。

1)抗生素及其轉化產物對AnMBR處理效能和細菌耐藥性發展的影響。未來的研究需要關注更多的抗生素類型，對不同抗生素水解和氧化等特性開展更深入的研究，由此選擇合理高效的預處理和末端保障技術。此外，部分抗生素的轉化產物具有一定的效價，或對難降解COD具有貢獻。因此，一方面需要關注抗生素及轉化產物對細菌耐藥性發展的影響和貢獻；另一方面繼續進行高效預處理和末端保障技術的研發，促進抗生素向低耐藥性、易生物降解產物的定向轉化。

2)厭氧膜生物反應器處理高濃度抗生素廢水的基礎研究和工程探索。加強對AnMBR處理高濃度抗生素殘留的發酵類抗生素廢水的研究，以及“抗生素效價去除預處理+AnMBR”等工藝的技術優化和在實際廢水中的應用研究。對新型厭氧膜生物反應器處理含抗生素廢水的運行效果、膜污染控制和影響因素開展探究，通過現場中試和工程應用推進AnMBR在制藥等行業抗生素廢水處理的工程化。