使用生物炭去除废水中的抗生素

为了养活世界上不断增长的人口，农民需要种植大量农作物。作物需要水才能生长和茁壮成长，而用于灌溉作物的水估计占全球淡水使用量的70%。但世界上许多地区都受到水资源短缺的困扰。这可能会使农民难以获得足够的水来种植农作物。研究人员正在探索能够持续满足当前和未来灌溉需求的替代水源。

经过处理的城市废水可用于灌溉农作物。但是有几个挑战需要克服。例如，市政废水可能含有抗生素。“这些抗生素可能会在废水灌溉的农业系统中培养出对抗生素有抗药性的细菌，”加利福尼亚州里弗赛德美国盐度实验室的研究员迈克尔施密特说。美国盐度实验室是美国农业部农业研究局(ARS)的一部分。

施密特是一项新研究的主要作者，该研究表明当地的植物材料或食物垃圾可用于去除城市废水中的抗生素。研究人员使用了生物炭，这是一种类似木炭的物质，它是通过在无氧条件下高温加热有机材料而产生的。研究人员通过吸附从城市废水中测量到的三种抗生素中，Biochar去除了97%以上。

施密特在马里兰州巴尔的摩举行的2022年ASA-CSSA-SSSA年会上介绍了他的工作。

“我们证明了当地的农业副产品可以帮助去除处理过的废水流中的抗生素，”施密特说。“这代表了一种潜在的成本效益和环境友好的策略，可以从废水中去除一系列污染物。”

重要的是，施密特和他的同事使用当地可用的植物材料——开心果壳和枣椰树叶——来制造生物炭。本地材料不需要长途运输。这可以降低成本、资源消耗和污染。

该研究是在加利福尼亚州进行的，该州2020年的开心果产量超过10亿磅。虽然南加州是全国最著名的椰枣生产地区，但农业生产集中在南加州的科切拉山谷。它们也作为市政树种植在美国西南部。“每棵枣椰树每年可以生产多达40磅的干叶，”施密特说。“所以，这些似乎是生物炭的良好潜在来源。”

研究人员还表明，生物炭的生产方式，而不是它的原料，对其从废水中去除抗生素的能力产生了很大的影响。生物炭的产生导致了一种富含碳的多孔木炭状材料。“生物炭生产的关键是加热过程中缺氧，”施密特说。用氧气加热主要产生灰烬(而不是生物炭)。

Schmidt及其同事通过将植物材料加热至400、600和800°C(约750、1100和1470°F)来制造生物炭。然后他们测试了生物炭在不同温度下从废水中去除三种不同抗生素的效率。本研究重点关注的抗生素是磺胺甲恶唑、磺胺吡啶和甲氧苄氨嘧啶。

选择这些是因为它们是在当地收集的处理过的废水中发现的。他们发现在800°C下制成的生物炭最有效地去除了抗生素。“我们证明了生物炭生产条件在抗生素去除方面发挥着重要作用，”施密特说。“这对使用其他材料生产生物炭的科学家也有帮助。”

Biochar通过多种化学机制从废水中去除抗生素。这些化学机制的效率可能取决于生物炭的物理特性。该研究表明，测量生物炭的这些物理特性可以节省时间和成本。

“测量痕量抗生素的实验需要昂贵的仪器，”施密特说。“我们表明，生物炭的行为可能可以通过易于测量的特性来解释。”这可能有助于简化未来优化生物炭吸附剂以去除废水污染物的工作。

Schmidt及其同事正在努力构建基于生物炭的水处理系统。“未来的研究会将这些生物炭材料和其他材料整合到扩大的水处理系统中，”施密特说。“目标是让这些处理系统能够处理与田间灌溉相关的水量。”