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O3/UV协同：城市污水处理厂尾水抗生素降解新路径

一、引言

1.1研究背景

抗生素作为一类能够抑制或杀灭细菌等微生物的药物，在医疗、畜牧养殖以及水产养殖等领域有着广泛应用。在医疗行业，抗生素是治疗各类感染性疾病的关键药物，拯救了无数生命。在畜牧和水产养殖中，抗生素不仅用于预防和治疗动物疾病，还常被添加到饲料中以促进动物生长、提高养殖效益。据统计，全球每年抗生素的使用量高达数万吨，且随着人口增长、医疗需求的增加以及养殖业的规模化发展，其使用量仍呈上升趋势。

然而，抗生素在使用后，大部分并不能被生物体完全吸收利用。研究表明，畜禽摄入的抗生素中，约60%-90%会以原形或代谢产物的形式通过粪便和尿液排出体外，随后这些含有抗生素的排泄物通过各种途径进入城市污水系统。城市污水中抗生素的污染现状十分严峻。在我国一些大城市的污水处理厂进水中，多种抗生素被频繁检出。如磺胺类抗生素的浓度可达几十到数百μg/L，喹诺酮类抗生素浓度也处于较高水平。在对北京、上海、广州等城市污水处理厂的监测中发现，磺胺甲恶唑的最高浓度达到了350μg/L，诺氟沙星的浓度也超过了100μg/L。在国际上，欧美等发达国家的城市污水同样存在抗生素污染问题。在欧洲部分城市的污水中，四环素类抗生素的检出率较高，部分水样中浓度达到几十μg/L。美国一些城市污水处理厂进水中，也检测到多种抗生素，对当地水环境构成潜在威胁。

传统的城市污水处理工艺主要包括物理处理、化学处理和生物处理三个阶段。物理处理阶段通过格栅、沉砂池、沉淀池等设施去除污水中的悬浮物和大颗粒杂质，但对于溶解在水中的抗生素几乎没有去除效果。化学处理阶段通常采用混凝、沉淀、消毒等方法，主要目的是去除污水中的部分有机物和病原体，对抗生素的去除能力有限，且可能会产生一些副产物。生物处理阶段是传统污水处理工艺的核心，利用活性污泥法、生物膜法等技术，通过微生物的代谢作用分解污水中的有机物。然而，抗生素具有生物毒性，会抑制微生物的生长和代谢活性，使得传统生物处理工艺难以有效降解污水中的抗生素。有研究表明，经过传统污水处理工艺处理后，出水中仍有相当比例的抗生素残留，部分抗生素的去除率甚至低于50%。

抗生素在城市污水中的残留会带来一系列严重问题。这些残留抗生素会对水环境生态系统造成破坏。水中的抗生素会影响水生生物的生长、发育和繁殖，降低生物多样性。研究发现，低浓度的抗生素会抑制藻类的光合作用，影响其生长速率；对鱼类等水生动物，抗生素可能会干扰其内分泌系统，导致生殖功能异常。抗生素残留还可能引发细菌耐药性问题。污水中的细菌长期暴露在抗生素环境中，容易产生耐药基因，这些耐药基因可以在不同细菌之间传播，使得耐药菌的数量不断增加。一旦耐药菌传播到人类生活环境中，将对人类健康构成巨大威胁，使一些常见疾病的治疗变得更加困难，增加医疗成本和患者痛苦。

为了有效解决城市污水中抗生素污染问题，开发新型高效的处理技术迫在眉睫。O3/UV降解技术作为一种高级氧化技术，近年来受到了广泛关注。臭氧（O3）具有强氧化性，其氧化还原电位高达2.07V，能够直接与有机物发生反应，也可以分解产生具有更高氧化活性的羟基自由基（?OH，氧化还原电位为2.80V）。紫外线（UV）照射不仅可以促进臭氧分解产生更多的?OH，还能使抗生素分子吸收光子能量，激发到高能态，从而更容易与氧化剂发生反应。O3/UV协同作用能够产生强烈的氧化效应，有望高效降解城市污水中的抗生素。目前，关于O3/UV降解技术在城市污水处理厂尾水中典型抗生素降解的研究还相对较少，尤其是在实际应用条件下的研究存在不足。深入研究O3/UV降解技术对城市污水处理厂尾水中典型抗生素的降解效果、影响因素及降解机理，对于推动该技术的实际应用，解决城市污水抗生素污染问题具有重要的理论和现实意义。

1.2研究目的与意义

本研究旨在深入探究O3/UV降解技术对城市污水处理厂尾水中典型抗生素的降解效能、降解机理以及影响降解效果的关键因素，为解决城市污水中抗生素污染问题提供坚实的理论基础和有效的技术支持。

从理论层面来看，尽管目前对O3/UV降解抗生素有一定研究，但在降解过程中产生的活性物种、抗生素分子结构变化以及反应动力学等方面仍存在诸多未知。本研究通过全面系统地分析O3/UV降解典型抗生素的过程，有望揭示降解过程中涉及的化学反应路径和微观作用机制，填补相关理论空白。例如，利用先进的光谱技术和分析手段，深入研究羟基自由基（?OH）、单线态氧（1O2）等活性物种的产生规律和作用机制，明确它们与抗生素分子之间的相互作用方式，从而完善O3/UV降解抗生素的理论体系，为后续研究提供重要的参考依据。

在实际应用方面，城市污水处理厂尾水中抗生素的残留已成为亟