编辑推荐：
本文聚焦兽用抗生素（VAs）污染问题，综述其在动物粪便中的产生、分布、传统处理方式的效果及局限，重点探讨吸附、膜分离等新兴技术的应用挑战与潜力，为推进粪便管理、减少 VAs 排放提供参考。
1. 引言
现代畜牧业高度依赖兽用抗生素（VAs），其可促进动物生长、预防疾病。预计到 2030 年，全球 VAs 消费量将超 107,000 吨，中国、巴西和美国是主要消费国。在动物体内，多数 VAs 吸收差，会随尿液和粪便排出，导致动物粪便中 VAs 浓度较高。
VAs 稳定性强、难生物降解，易在环境中持久存在，促使微生物产生抗生素耐药基因（ARGs）。ARGs 可通过水平基因转移在微生物群体间传播，增加抗菌耐药性在生态系统中的扩散风险，威胁人类健康。世界卫生组织已将 ARGs 列为监测水和土壤的关键指标，防止抗生素污染和 ARGs 扩散成为全球长期任务。
动物粪便作为宝贵肥料，因含有大量 VAs 需妥善处理。厌氧消化（AD）和堆肥是常用方法，但无法完全去除所有类型的 VAs。因此，吸附、膜分离、高级氧化工艺（AOP）、碳化和生物电化学系统（BES）等新兴技术受到关注。不过，这些技术大多处于实验室阶段，在实际处理动物粪便时面临诸多挑战，如受粪便复杂成分影响效果、缺乏集成技术研究、成本较高等。本文旨在探讨新兴技术处理动物粪便中 VAs 的挑战、最佳应用条件、降低成本的建议等，推动粪便管理和减少 VAs 排放。
2. 动物粪便的产生和组成
动物粪便通常以液体形式收集，经运输、储存后进行固液分离。分离方法多样，如重力分离、过滤等，其中卧螺离心机最常用，但分离小颗粒效果有限，添加絮凝剂可提高效率，而高剂量的混凝剂（如 Fe/Al 盐）因会被粪便中的碳酸盐消耗并产生气泡影响分离，不被推荐。部分农场直接收集固体粪便减少冲洗水使用，但厌氧消化等过程仍会产生液体消化液。
动物粪便成分复杂，包含水、盐、营养物质、沉积物、悬浮颗粒和溶解有机物（DOM）等。水含量一般在 91%-98%，固液分离后可升至 96%-99%；挥发性固体（VS）与总固体（TS）的比值通常为 60%-80%。DOM 含有多种成分，导致化学需氧量（COD）较高，部分成分（如腐殖酸、纤维素和木质素）难以降解。无机物质包括 N、P、金属离子和其他离子，总 N 在储存过程中多转化为 NH4+/NH3，P 会与金属沉淀，盐离子中 Na+、K+和 Cl-含量较高。粪便 pH 在 6.1-8.8，缓冲能力强。
3. VAs 的浓度和分布
动物粪便中常检测到的 VAs 有磺胺类、四环素类、青霉素类等。不同动物粪便中 VAs 浓度差异大，如猪粪中磺胺二甲嘧啶可达 9mg/L，土霉素可达 136mg/kg（干重）。动物生长阶段会影响粪便中 VAs 浓度和多样性，生长促进阶段 VAs 使用频繁，部分国家虽禁止其作为生长促进剂，但治疗疾病时用量更高。
VAs 在粪便固液两相中均有分布，其分布受多种因素影响。研究建立的固液分布模型显示，VAs 分布与种类和总浓度相关，如四环素在低浓度时易吸附到固体部分，高浓度时液体部分比例增加；磺胺类和林可霉素则较难被固体吸附。此外，VAs 还会吸附在悬浮颗粒上，实际液体中 VAs 浓度可能比文献报道更高。
4. VAs 在传统处理方法中的去向
4.1 厌氧消化
厌氧消化可产生沼气，消化后的粪便（消化液）气味和致病性降低，营养更丰富。根据原料 TS 含量，AD 分为湿式和干式，湿式 AD 因传质快、产气迅速、成本低，在大型农场广泛应用；干式 AD 虽有反应器体积小等优势，但预处理和后处理复杂，消化周期长，限制了大规模应用。
厌氧消化能部分降解 VAs 或转化为低毒化合物，但不同 VAs 降解效果差异大。青霉素类易降解，而四环素类、磺胺类和大环内酯类降解困难。研究表明，VAs 降解率受种类和浓度影响，如高浓度四环素会抑制微生物活性，降低去除率。总体而言，湿式 AD 去除 VAs 效率不高，需额外处理；干式 AD 对磺胺类的降解率较高，但相关研究较少。
4.2 堆肥
堆肥适用于固体粪便处理，分为中温、高温和成熟三个阶段，需控制碳氮比（C/N）和水分含量。与 AD 相比，堆肥中好氧微生物生长快，能更高效降解有机物，但会产生 CO2和 NH3排放，降低堆肥残留的施肥价值。
堆肥对某些 VAs 的去除效率高于 AD，如磺胺类在堆肥中去除迅速，而四环素类和氟喹诺酮类降解较慢，温度对其降解影响显著。与 AD 不同，VAs 浓度对堆肥效率影响较小，且重金属会抑制 VAs 降解，添加石灰或活性炭可缓解。实际中，AD 和堆肥常结合使用，提高粪便中 VAs 的去除效果，实现更可持续的废物管理。
5. 新兴技术和挑战
传统的 AD 和堆肥无法完全去除动物粪便中的 VAs，尤其是湿式 AD 对液体粪便中 VAs 去除效果不佳。在农场大量使用 VAs 时，高浓度 VAs 会抑制生物处理过程，降低去除效率，因此需要新兴技术进一步强化 VAs 去除。
5.1 吸附
用于去除 VAs 的吸附剂主要有碳基材料和粘土矿物两类。碳基材料如活性炭、碳纳米管等吸附能力强，但成本高、回收困难；生物炭成本低，虽吸附容量有限，但生产价格远低于其他碳基材料，且适合土壤修复。粘土矿物通过离子交换等机制吸附 VAs，蒙脱石和沸石等对不同 VAs 有一定吸附能力。
动物粪便中的离子和 DOM 会影响 VAs 吸附。多种离子会通过竞争吸附、络合和静电屏蔽抑制吸附；DOM 中的腐殖酸对吸附影响复杂，可能促进也可能抑制，且 DOM 分子大小不一，会堵塞吸附剂孔隙，降低 VAs 去除效率。将粪便转化为消化液虽可减少异味，但不能解决吸附面临的主要问题。
5.2 膜分离
压力驱动的膜技术（如微滤 MF、超滤 UF、纳滤 NF 和反渗透 RO）和非压力驱动的膜技术（如电渗析 ED、膜蒸馏 MD 和正向渗透 FO）均可用于分离污染物。MF 和 UF 因孔径较大，对 VAs 截留困难，但仍有一定去除率；NF 和 RO 能截留 VAs，但易受膜污染影响。实际应用中，多种膜技术常组合使用，但在处理动物粪便时面临膜孔堵塞等问题。
ED 利用电场分离离子，可回收营养物质，但胶体颗粒和 DOM 会污染膜，VAs 迁移效率受浓度和电场强度影响；MD 利用热力学压力回收水和挥发性物质，但半疏水化合物会导致膜润湿和污染；FO 依靠自然渗透压驱动，存在膜机械性能差、能耗高、反向溶质通量等问题，且在处理动物粪便方面缺乏长期测试。
5.3 高级氧化工艺
AOPs 包括臭氧化、芬顿、过硫酸盐氧化、光解、电氧化等及其组合工艺，可用于去除动物粪便中的 VAs。臭氧化可产生多种活性物质，但 VAs 矿化率为 30%-80%，会产生副产物；芬顿反应在酸性条件下进行，不适用于动物粪便处理；过硫酸盐氧化能产生多种自由基，在较宽 pH 范围内反应，且与 DOM 反应较慢，有利于 VAs 分解。
光解单独使用效果不佳，光催化可增强效果，但动物粪便中悬浮颗粒和腐殖酸会影响光穿透和催化反应；电氧化电极材料影响性能，BDD 阳极效率高但昂贵，且电氧化会与 DOM 反应，还可能产生 Cl2。动物粪便中的多种物质会与 AOPs 产生的自由基反应，影响 VAs 去除效率，消化液因 COD 含量低更适合 AOP 处理，且应优化试剂用量，避免过度氧化 DOM。
5.4 碳化
热解和水热碳化（HTC）是利用动物粪便生产生物炭的常用方法。热解需高温，不适用于液体粪便，可使 VAs 热矿化，但会释放 NH3；HTC 在较低温度下进行，可处理半固体或液体粪便，能有效去除 VAs，减少悬浮颗粒，且液体副产物稀释后可作肥料。碳化虽能耗高，但在有多余热能的地方可有效实施，且处理原粪便更高效。
5.5 生物电化学系统
BES 可设计为单室或双室，微生物燃料电池（MFC）和微生物电解池（MEC）是常见类型。原动物粪便因富含 DOM 和营养物质可直接用于 BES，BES 对 VAs 去除率可达 70%-99%，主要依靠生物阳极上的外生电微生物和反应器中的环境微生物作用。
但 BES 启动阶段 VA 去除效率低，且环境因素（如碳源、氧化还原电位）会影响去除效果。动物粪便中的某些成分（如 NH3、H2S、高浓度盐和底物）可能抑制 BES 性能，但微生物可逐渐适应。此外，BES 中微生物长期培养可能产生抗生素耐药性，其对 ARB 和 ARGs 的影响尚不明确。最初稀释动物粪便有助于 BES 启动，BES 与 AD 系统集成可实现多种功能。
6. 展望
6.1 VA 去除的可能处置途径
动物粪便处置有多种途径，如湿式 AD 处理液体粪便，产生的消化液可分离为液体和固体肥料；也可先固液分离再进行 AD，但堆肥前处理会产生污染排放。固体粪便可直接堆肥或采用干式 AD 处理。无论哪种途径，产生的肥料都可能残留 VAs，新兴技术可作为高 VA 污染粪便的应急处理方法。
目前，应将高 VA 污染粪便单独管理，这既符合经济原则，也因高浓度 VAs 有利于提高去除动力学。许多国家已限制或禁止 VAs 作为生长促进剂使用，但发展中国家全面禁止面临经济挑战。同时，可采取早期隔离治疗感染动物、单独收集粪便、改善农场卫生等措施提高粪便管理效率。
6.2 对 ARB 和 ARGs 的关注
AD 和堆肥虽能有效灭活 ARB，但对 ARGs 的去除存在争议。温度、VA 浓度等多种因素影响 ARGs 在处理过程中的变化，且即使减少了动物粪便中的 ARGs，其在环境中仍有重新增殖的风险，这与 ARGs 的稳定性、水平基因转移以及其他选择性压力有关。
多数新兴技术对 ARB 和 ARGs 有一定去除效果，但无法完全消除风险。因此，降低动物粪便中 VAs 浓度仍是目前更务实可靠的策略，可减少对 ARGs 的选择性压力。
6.3 新兴技术的应用挑战
新兴技术处理单独收集的污染粪便时可发挥重要作用，但各技术面临不同挑战。吸附对液体消化液中 VAs 去除效果不佳，但生物炭和矿物质有应用潜力；膜技术在处理动物粪便时，除 EDR 外，其他技术在分离 VAs 和处理污染方面存在问题；AOPs 虽能高效降解 VAs，但成本高，且应避免过度氧化 DOM；碳化适用于有多余热能的地区；BES 可增强湿式 AD 性能，但扩大规模面临微生物富集和电极使用等问题。
目前，缺乏去除动物粪便中 VAs 的相关法律和标准，新兴技术成本也较高。可通过多种技术集成提高 VAs 去除效果，如膜技术与 AOPs 结合、利用固有能源、开发多功能技术等，同时考虑技术的经济价值和对其他污染物的去除效果。
7. 结论
动物粪便中 VAs 浓度高，传统的 AD 和堆肥处理方式无法完全去除，新兴技术如生物炭改良、EDR、过硫酸盐氧化、碳化和 BES 等为进一步去除 VAs 提供了可能，且快速去除 VAs 有助于降低 ARGs 在环境中的传播风险。然而，新兴技术成本高限制了其实际应用。建议在 VAs 使用高峰期单独收集粪便进行额外处理，并通过技术集成和利用固有能源提高新兴技术的经济可行性。
