基于废弃市政污水污泥的氟喹诺酮类抗生素多组分吸附效能研究：模型构建与实验验证

推荐：为解决亚洲地区广泛使用的氟喹诺酮类抗生素（如CIP和OFLX）在污水处理中残留导致的微生物群落抑制及环境风险问题，研究人员利用活性污泥开展多组分吸附研究。通过Modified competitive Langmuir-like和LeVan-Vermeulen模型分析，证实膜扩散为速率控制步骤，揭示了静电作用与表面络合的关键机制，为抗生素废水处理提供低成本解决方案。

　　

氟喹诺酮类抗生素（FQs）如环丙沙星（CIP）和氧氟沙星（OFLX）在亚洲地区被大量使用，但约50%-90%以原形或代谢物形式排入环境，导致地表水、土壤中残留浓度升高，甚至引发微生物耐药基因传播。这类药物对蓝藻（如Microcystis aeruginosa）和细菌（如Pseudomonas putida）的EC₅₀值低至15-241 nmol/L，生态风险显著。传统污水处理工艺对FQs去除效率有限，亟需开发经济高效的吸附技术。

印度西孟加拉邦北24区Kamarhati市污水处理厂的研究团队以废弃活性污泥（AS）为吸附剂，通过批式平衡实验结合两种多组分吸附模型（Modified competitive Langmuir-like和LeVan-Vermeulen模型），系统研究了CIP和OFLX的协同吸附机制。研究采用MATLAB的fsolve函数优化模型参数，结合HPLC分析、FE-SEM形貌表征、FT-IR/XPS表面基团鉴定等技术，发现活性污泥对CIP的最大吸附量（0.0544 g/g）显著高于OFLX（0.01468 g/g），且伪二级动力学模型（R²>0.99）和Boyd膜扩散模型证实化学吸附为主导机制。

关键技术方法包括：1）从市政污水处理厂采集活性污泥并风干制备吸附剂；2）采用HPLC（Waters 515系统，C18反相柱）定量分析CIP/OFLX浓度；3）通过批式平衡实验获取吸附等温线；4）运用MATLAB拟合多组分模型参数；5）结合FE-SEM、Zeta电位仪、FT-IR和XPS表征吸附机理。

主要研究结果：

1. 模型验证：Modified competitive Langmuir-like模型对CIP的预测更优（目标函数值8.22×10^-4），表明其吸附优先于OFLX；
2. 动力学特征：伪二级速率常数k₂显示CIP吸附更快（226.8 g/g·day），膜扩散模型截距（CIP:0.84）证实表面反应控制速率；
3. 机理解析：FT-IR在1527-1548 cm^-1出现新峰，XPS显示O 1s结合能从532.2 eV移至531.8 eV，证实负电荷辅助氢键（RSS-[O…H-OOC]-FQs）的形成；
4. 环境适应性：pH 7.8时污泥表面带负电，与CIP的zwitterionic形态通过静电和配位作用结合，而OFLX主要依赖羧基络合。

该研究创新性地将统计热力学模型应用于抗生素吸附领域，证实废弃污泥可作为低成本吸附剂，对CIP去除率达75%以上。其意义在于：1）为制药废水处理提供"以废治废"新思路；2）揭示多组分竞争吸附中膜扩散的核心作用；3）建立的模型参数可为实际污水处理工艺优化提供理论依据。论文发表于《Cleaner Water》，为应对全球抗生素污染挑战贡献了重要技术路径。