考察小城鎮(zhèn)污水處理廠對抗生素去除效果

　　抗生素在環(huán)境中作為一種持久存在的新型污染物, 在地表水、地下水和飲用水的殘留引起公眾的廣泛重視.由于抗生素不能在污水處理廠中完全去除, 污水處理廠(WWTPs)成為藥物進入到水體的一個重要來源.

　　隨著城鎮(zhèn)化的快速推進, 我國小城鎮(zhèn)的污水排放量也不斷增加, 小城鎮(zhèn)污水處理工藝一般設計規(guī)模小于5×104 m3·d-1.由于小城鎮(zhèn)污水收集來源較復雜, 雨污不分, 且有較高濃度的工業(yè)廢水、養(yǎng)殖廢水以及生活污水混合排入, 導致水質(zhì)和水量波動大、運行管理水平相差較大.城市污水處理廠污水排放標準通常都執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)一級A標準(以下簡稱一級A排放標準), 具有較完善的處理工藝, 包括一級處理、二級處理和深度處理, 從而抗生素在經(jīng)過城市污水處理廠后, 通常檢測出殘留的濃度在ND~ng·L-1的范圍.小城鎮(zhèn)污水處理廠污水排放大都未能達到一級A排放標準, 而且對小城鎮(zhèn)污水處理廠抗生素殘留研究較少。根據(jù)住建部的不完全統(tǒng)計, 在全國小城鎮(zhèn)污水處理廠工藝中, A2/O、氧化溝及CASS使用最多, 分別占33.69%、18.88%和10.51%, 本研究在冀西北地區(qū)小城鎮(zhèn)選擇上述3種典型工藝研究抗生素的分布和去除情況.

　　目前的分析方法中, 分析檢測廢水中抗生素的預處理主要采用固相萃取, 檢測方法主要使用液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法.在本研究中使用先前開發(fā)的抗生素快速分析方法, 對16種典型抗生素進行分析, 包含四環(huán)素類、磺胺類、大環(huán)內(nèi)酯類、β-內(nèi)酰胺類以及喹諾酮類.首先對方法進行了驗證, 然后選擇3種工藝(CASS、A2/O及Orbal氧化溝)的6家污水處理廠的進出水水樣進行了抗生素分析.對比研究了相同工藝和不同工藝抗生素的濃度分布、去除情況, 明確了小城鎮(zhèn)典型污水處理廠工藝中抗生素種類和殘留濃度, 并對不同工藝污水處理廠中抗生素的去除率進行對比, 以期為評價小城鎮(zhèn)污水抗生素相關(guān)研究奠定基礎.

　　1 材料與方法1.1 試劑與儀器

　　本研究使用的甲醇、乙酸乙酯均為色譜純, 購于美國Fisher公司; Na2EDTA, 甲酸、鹽酸均為分析純, 納氏試劑、酒石酸等藥劑購于國藥集團化學試劑有限公司, 超純水由Milli-Q系統(tǒng)(Advantage A10, Millipore)制取.

　　Agilent 1260/6420型超高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀; 20位固相萃取裝置(美國Waters公司); 固相萃取柱(Oasis HLB, 6cc/300 mg, 美國Waters公司); SE812型氮吹儀(北京帥恩科技有限責任公司); Sigma 2-16P高速離心機(Sigma公司); 便攜式pH計(德國WTW公司); HLB固相萃取柱購自美國Waters公司.

　　1.2 樣品采集

　　樣品于2017年3月10~15日, 對所研究的小城鎮(zhèn)的6家污水處理廠(污水處理廠分布點見圖 1)的進水和出水分別進行采樣, 每天取1次樣, 每次采樣量為1 L, 共計3 d. 6個污水處理廠3 d的樣品分別混合, 裝入4 L棕色玻璃瓶中, 現(xiàn)場測定pH值并做好記錄, 放在4℃冰箱中保存并24 h內(nèi)帶回實驗室分析處理.

　　圖 1

　　圖 1 6個小城鎮(zhèn)污水處理廠的采集點分布示意

　　6個污水處理廠分別處于不同的行政區(qū)域, W1、W3和W6廠靠近生活居住區(qū), 主要處理生活污水, 有部分的工業(yè)廢水排入, W2和W5廠不僅有生活污水, 還有大量的工業(yè)廢水排入, W4廠周圍有小規(guī)模的畜禽養(yǎng)殖廠. 6個污水處理廠的工藝包含CASS、A2/O及Orbal氧化溝工藝, 具體處理規(guī)模及服務人口見表 1.

　　表 1 6個污水處理廠處理工藝、處理規(guī)模以及服務人口

　　1.3 常規(guī)水質(zhì)測定

　　對采回的水樣進行基本水質(zhì)分析, 分析COD、氨氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)、亞硝氮(NO2--N)以及總氮(TN), 分析方法使用常規(guī)水質(zhì)分析方法.

　　1.4 抗生素測定

　　所選取的16種抗生素分別為：鹽酸四環(huán)素(tetracyclines, TC, 97%)、4-差向四環(huán)素鹽酸鹽(4-epi-tetracycline Hydrochloride, E-TC, 99%)、土霉素(oxytetracycline, OTC, 97%)、4-差向土霉素(4-epi-oxytetracycline, E-OTC, 97%)、青霉素(penicillin, PCN, 99%)、氨芐西林(ampicillin, AMP, 99%)、頭孢噻肟(cefotaxime sodium, CFX, 97%)、克拉霉素(clarithromycin, CLR, 99%)、羅紅霉素(roxithromycin, ROX, 97%)、紅霉素(erythromycin, EM, 98%)、磺胺嘧啶(sulfadiazine, SD, 97%)、磺胺甲嘧啶(sulfamerazine, SMN, 99%)、諾氟沙星(norfloxacin, NOR, 97%)、環(huán)丙沙星(ciprofloxacin, CIP, 97%)、恩諾沙星(enrofloxacin, ENR, 97%)、氧氟沙星(ofloxacin, OFX, 97%).共包含5大類抗生素四環(huán)素類(tetracyclines, TCs)、β-內(nèi)酰胺類(β-lactam)、磺胺類(sulfonamides, SAs)和喹諾酮類(fluoroquinolones, FQs), 以上抗生素通過以前研究中開發(fā)的方法測定, 將200 mL水樣通過用HLB小柱進行固相萃取提取和純化, 每個樣品分別做3個平行, 并通過超高效液相色譜和串聯(lián)質(zhì)譜法進行測定.

　　1.5 抗生素檢測方法驗證

　　為了確保檢測結(jié)果的準確性和可靠性, 方法的驗證需要標準曲線, 檢測極限(limit of detection, LOD), 定量限(limit of quantitation, LOQ)以及實際水樣的回收率, 所以本研究建立基質(zhì)匹配曲線, 采用外標法對樣品中抗生素進行定量分析, 確定實際水樣的回收率.分別將濃度為1.0、5.0、10.0、50.0、100.0、250.0、500.0和1 000.0 μg·L-1的8個混合標準品加入100 mL的污水中, 然后同時進行SPE過程.標準曲線基于標準曲線的相關(guān)性系數(shù)(R2)來評估, 每個分析物的LOD和LOQ定義是分別由最低濃度的3倍和10倍信噪比(S/N)產(chǎn)生.所以LOD和LOQ是由分析加標后污水的分析所決定.固相萃取(solid phase extraction, SPE)回收率是通過檢測加標污水和基質(zhì)匹配標準品的峰面積的比值來確定.

　　2 結(jié)果與討論2.1 污水處理廠常規(guī)污染物去除

　　6個污水處理廠對常規(guī)污染物的去除效果見表 2. W1~W3廠的NH4+-N去除效率均能達到96%以上, Orbal氧化溝工藝的W4和W5的NH4+-N去除率分別為93.28%和88.32%; 6個水廠的TN去除率, 除了W4, 其余的均能達到50%的去除效率; W1、W3、W5廠COD去除率較高, 均能達到86%以上, W4的COD去除率最低為54.35%, 除W4廠去除效率與He等研究城市污水處理廠的結(jié)果相似. 5個污水處理廠均能對常規(guī)污染物進行有效去除, 出水的NH4+-N和COD濃度均可達到一級A排放標準. Zhang等研究我國70個城市的污水處理廠, 發(fā)現(xiàn)NH4+-N的去除率均可達到80%以上, COD的去除率均達到88%以上, 說明5個小城鎮(zhèn)污水處理廠的常規(guī)水質(zhì)去除與城市污水處理廠的去除效果相似.

　　表 2 6個污水處理廠的基本水質(zhì)參數(shù)

　　2.2 抗生素檢測方法的驗證

　　分析方法驗證的結(jié)果見表 3, 16種抗生素的相關(guān)性系數(shù)均R2≥0.99.根據(jù)此方法確定了16種抗生素的加標回收率范圍為77.67%±0.83%~144.10%±1.11%.除E-TC、SD和SMN的回收率分別為79.82%、77.67%和78.76%以外大部分抗生素的回收率都在80%以上.

　　表 3 16種抗生素的線性范圍、回收率、相關(guān)系數(shù)和檢出限

　　2.3 小城鎮(zhèn)污水廠抗生素濃度分布2.3.1 進出水中抗生素濃度分布

　　本研究6個污水處理廠中分別各選取了2個CASS、A2/O及Orbal氧化溝工藝作為對比.樣品分析結(jié)果表明, 6個污水處理廠的進出水中所有目標分析物, 除SMN未檢出, 其他均以ng·L-1~μg·L-1的水平存在.根據(jù)對抗生素的總濃度值進行分析, 發(fā)現(xiàn)W6>W5>W1>W3>W4>W2, 由于不同城鎮(zhèn)的水質(zhì)和水量相差較大, 從而抗生素的含量也有所不同, 存在較大的差異.由圖 2看出OFX、NOR、ROX、TC、OTC、E-OTC和EM等均有檢出, 且抗生素的種類都基本相似, 其中較明顯地看出OFX和NOR在6個水廠中均有檢出并且濃度最高, 這兩種抗生素均屬于FQs, 為主要污染抗生素.甘秀梅等在研究某污水處理廠中的抗生素殘留時發(fā)現(xiàn), NOR和OFX的進水濃度達到(203.01±16.10) ng·L-1和(345.90±59.40) ng·L-1, 為所研究污水處理廠中主要殘留抗生素. Guo等[22]在研究河流中抗生素時發(fā)現(xiàn), FQs濃度最高, 檢測出CIP和OFL的濃度且均來自污水處理廠的排放. FQs在生活污水中較為常見, 一般來說, 污水處理廠對FQs能夠有效去除, 并且在水中的持久性相對較低.本研究中OFX、NOR和ROX殘留濃度高, 并且去除效果較好, 這個結(jié)果與Leung等的結(jié)果相似, 其在香港的7家城市污水處理廠檢測出FQs(CFX和OFX)為主要的抗生素. 具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖 2

　　Inf: 進水, Eff:出水, 下同圖 2 6個污水處理廠進出水抗生素的濃度總量

　　所檢出的其他抗生素種類與城市污水處理廠對比, 所含抗生素種類相似. CTX在W3中、PCN和AMP在W2中有檢出, 但含量都很低, PCN、AMP和CTX都屬于β-內(nèi)酰胺類抗生素, 這可能是由于β-內(nèi)酰胺類抗生素的化學性質(zhì)不穩(wěn)定, 此類化合物結(jié)構(gòu)最不穩(wěn)定, 容易與酸、堿以及重金屬等作用時, 易發(fā)生水解和分子結(jié)構(gòu)重排[25].

　　污水處理廠中氨氮(NH4+-N)、總氮(TN)、化學需氧量(COD)、pH等是監(jiān)測水質(zhì)的基本參數(shù), 而且這些指標的高低也在影響著抗生素的濃度值[26].對進出水中抗生素的含量和基本水質(zhì)參數(shù)進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn), 在進水中[圖 3(a)]W3和W6廠中四環(huán)素類抗生素(E-OTC、E-TC、TC)和大環(huán)內(nèi)酯類(CLR、EM、ROX)濃度相對較高, W1和W5廠中SD、OTC、ENR、OFX濃度相對較高, 并且以上抗生素與水質(zhì)的COD、TN、NH4+-N、pH均呈正相關(guān)關(guān)系, 而β-內(nèi)酰胺類抗生素與4種水質(zhì)參數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系, 小城鎮(zhèn)污水處理廠的進水較復雜, 除人用抗生素外, 可能還存在一些周邊養(yǎng)殖場使用的獸用抗生素. OTC和SD濃度較高, 并且養(yǎng)殖廢水是高COD、NH4+-N廢水, 這兩種抗生素和COD、NH4+-N有較強的相關(guān)性.在出水中[圖 3(b)]可以看出W1、W3、W5廠SD、OTC、ENR、NOR、OFX等都存在, 并且和COD、NH4+-N均有較強的相關(guān)性, 這些抗生素隨著污水處理廠的排水一起進入到環(huán)境中, 對環(huán)境造成了潛在耐藥性威脅.

　　圖 3

　　圖 3 污水處理廠進水和出水的基本水質(zhì)參數(shù)與抗生素濃度的相關(guān)性

　　2.3.2 不同工藝抗生素去除效率

　　對比進出水后發(fā)現(xiàn), 所有檢出的抗生素除ROX外在W1出水中均有富集, 其余抗生素均有降解.其次除了W4的去除率為0.3%, 其余的去除率分別為W1是72.46%、W2是64.26%, W3是62.08%、W5是63.65%以及W6是74.71%, 去除效果較好, 而W4是由于污水廠運行狀況出現(xiàn)問題, 由水質(zhì)基本參數(shù)的去除(見表 2)也可以看出, 其COD和總氮的去除率很低, 導致了抗生素的去除效果差.由于W4廠存在問題, 所以排除W4將3種工藝進行對比, 對比發(fā)現(xiàn), CASS工藝和Orbal氧化溝工藝對抗生素的去除率相對較高.

　　分別對比每種抗生素的去除率, 見表 4, 發(fā)現(xiàn)TCs的去除率較高, 尤其E-TC在6個污水處理均有檢出, 而且相對比其他抗生素去除率均最高, 這可能是活性污泥對四環(huán)素類的吸附性強, 使水中的四環(huán)素類抗生素去除率效果提高. OFX和NOR是含量最高的抗生素, 除了W4廠運行狀況出現(xiàn)問題, 其余污水處理廠對這兩種抗生素的去除率均達到57.89%~94.70%. Li等的研究發(fā)現(xiàn)兩種抗生素在城市污水處理廠中的去除率達到80%以上, 與本研究的結(jié)果相似, 說明小城鎮(zhèn)典型的污水處理工藝對這兩種常見的抗生素能夠有效去除.

　　表 4 抗生素在不同污水廠處理中的去除率/%

　　W2廠除SMN外對所有抗生素都能有效降解, W3廠對ETC、NOR、OFX、CLR、CIP、OTC、ROX、EOTC、EM均能有效去除. β-內(nèi)酰胺類抗生素(CFX、AMP、PCN)在W2廠和W4廠中有檢出, 去除率在0%~79%, 相對比Li等研究城市污水處理廠活性污泥法對CFX和AMP的去除率分別可以達到91%和99%, 這是由于城市污水處理廠具有消毒工藝, 加強了對這兩種抗生素的去除.并且其分別在沙田和赤柱的活性污泥工藝的處理中, EM的降解分別為15%和26%, 這與本結(jié)果在活性污泥生物處理過程中得出的結(jié)果相似. CIP在CASS工藝中有較好的去除率, 去除率均可以達到70%, Kovalova等的研究發(fā)現(xiàn), 在經(jīng)過MBR出水后, CIP的去除率達到51%. Wang等研究城市污水處理廠抗生素的去除, 發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過厭氧消化后, 在出水CIP和EM能夠完全去除. W5和W6廠的氧化溝工藝, 對SD、TC、OFX、CIP和NOR有較好的降解效果, 這與報道瑞典廢水處理中諾氟沙星的去除效率為87%, 氧氟沙星為86%結(jié)果接近, 報道中的污水處理廠屬于城市污水處理廠, 有后續(xù)的消毒措施, 提高了抗生素的去除效率.

　　2.3.3 常規(guī)水質(zhì)參數(shù)對抗生素去除率的影響

　　根據(jù)圖 4可以看出, W1、W2和W3個廠COD與AMP、ENR、PCN、CLR、E-OTC和OTC的降解速率相關(guān), 可能是由于W1、W2廠為CASS工藝, SRT時間長, 從而對β-內(nèi)酰胺類抗生素和四環(huán)素的代謝產(chǎn)物E-OTC及大環(huán)內(nèi)酯類(ENR、CLR)降解效果好, 并且上述抗生素的降解與COD和NH4+-N呈明顯的正相關(guān)關(guān)系. ROX和EM這兩種抗生素的去除效果與這3種處理工藝關(guān)系不大, EM常作為人類代謝物被檢出, 為失去1個分子H2O的脫水產(chǎn)物.在典型的廢水中(pH為7~8), 大環(huán)內(nèi)酯類抗生素可能通過陽離子交換方法被吸附, 許多通過堿性二甲基氨基(pKa為7.1~9.2)質(zhì)子化帶正電, 而活性污泥的表面主要帶負電, 所以大環(huán)內(nèi)酯類抗生素的去除與污泥有很大關(guān)系, 若不能被質(zhì)子化, 將不能被污泥吸收. W4廠由于運行狀況不佳, COD和TN的去除率分別僅為54.35%和0.51%, 同時抗生素也不能有效地去除, 所以W4廠的抗生素去除率與基本水質(zhì)參數(shù)的去除率無太多相關(guān)性.

　　圖 4

　　圖 4 抗生素的去除率與基本水質(zhì)參數(shù)的去除率的相關(guān)性分析

　　3 結(jié)論

　　(1) 通過優(yōu)化固相萃取法和液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法, 快速同步準確檢測冀西北典型小城鎮(zhèn)6家污水處理廠進出水抗生素的濃度, 通過方法的驗證, 證明了此方法的可靠性.

　　(2) 對6個污水處理廠的進出水的常規(guī)水質(zhì)和抗生素的濃度進行了分析, 6個污水處理廠(除W4)的常規(guī)水質(zhì)排放均能達到一級A排放標準. OFX和NOR為主要殘留抗生素, 通過檢測進出水濃度, 發(fā)現(xiàn)去除效果較好.其中5個污水處理廠W1、W2、W3、W5和W6的抗生素去除率均能達到60%以上.通過3種工藝對抗生素的去除效果發(fā)現(xiàn), CASS工藝和Orbal氧化溝工藝對抗生素的去除效果比A2/O工藝好. CASS工藝對β-內(nèi)酰胺類(AMP、PCN)、喹諾酮類(ENR、NOR和OFX)和大環(huán)內(nèi)酯類(CLR)的去除效果最好, Orbal氧化溝工藝四環(huán)素類(TC、OTC)和磺胺類(SD)的去除效果最好.

　　(3) 同時將抗生素濃度和水質(zhì)基本參數(shù)(NH4+-N、TN、COD、pH等)相關(guān)性分析后, 發(fā)現(xiàn)水質(zhì)情況對抗生素的濃度有一定的影響, NH4+-N、TN及COD的濃度越高, EM、ROX、E-TC、CLR、CIP、OFX、E-OTC、TC、OTC以及NOR的濃度也相對更高.(來源：環(huán)境科學 作者：柴玉峰)