抗生素在環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.
隨著城鎮化的快速推進, 我國小城鎮的污水排放量也不斷增加, 小城鎮污水處理工藝一般設計規模小于5×104 m3·d-1.由于小城鎮污水收集來源較復雜, 雨污不分, 且有較高濃度的工業廢水、養殖廢水以及生活污水混合排入, 導致水質和水量波動大、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行《城鎮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, 而且對小城鎮污水處理廠抗生素殘留研究較少。根據住建部的不完全統計, 在全國小城鎮污水處理廠工藝中, 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小城鎮選擇上述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-質譜聯用法.在本研究中使用先前開發的抗生素快速分析方法, 對16種典型抗生素進行分析, 包含四環素類、磺胺類、大環內酯類、β-內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, 以期為評價小城鎮污水抗生素相關研究奠定基礎.
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(Advantage A10, Millipore)制取.
Agilent 1260/6420型超高效液相色譜-質譜聯用儀; 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, 現場測定pH值并做好記錄, 放在4℃冰箱中保存并24 h內帶回實驗室分析處理.
圖 1
圖 1 6個小城鎮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域, W1、W3和W6廠靠近生活居住區, 主要處理生活污水, 有部分的工業廢水排入, W2和W5廠不僅有生活污水, 還有大量的工業廢水排入, W4廠周圍有小規模的畜禽養殖廠. 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、處理規模以及服務人口
1.3 常規水質測定
對采回的水樣進行基本水質分析, 分析COD、氨氮(NH4+-N)、硝態氮(NO3--N)、亞硝氮(NO2--N)以及總氮(TN), 分析方法使用常規水質分析方法.
1.4 抗生素測定
所選取的16種抗生素分別為：鹽酸四環素(tetracyclines, TC, 97%)、4-差向四環素鹽酸鹽(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大類抗生素四環素類(tetracyclines, TCs)、β-內酰胺類(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質譜法進行測定.
1.5 抗生素檢測方法驗證
為了確保檢測結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性系數(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匹配標準品的峰面積的比值來確定.
2 結果與討論2.1 污水處理廠常規污染物去除
6個污水處理廠對常規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果相似. 5個污水處理廠均能對常規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, 發現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個小城鎮污水處理廠的常規水質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參數
2.2 抗生素檢測方法的驗證
分析方法驗證的結果見表 3, 16種抗生素的相關性系數均R2≥0.99.根據此方法確定了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、相關系數和檢出限
2.3 小城鎮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.根據對抗生素的總濃度值進行分析, 發現W6>W5>W1>W3>W4>W2, 由于不同城鎮的水質和水量相差較大, 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現, 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現, 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, 這個結果與Leung等的結果相似, 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. 具體聯系污水寶或參見http://m.bnynw.com更多相關技術文檔。
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-內酰胺類抗生素, 這可能是由于β-內酰胺類抗生素的化學性質不穩定, 此類化合物結構最不穩定, 容易與酸、堿以及重金屬等作用時, 易發生水解和分子結構重排[25].
污水處理廠中氨氮(NH4+-N)、總氮(TN)、化學需氧量(COD)、pH等是監測水質的基本參數, 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參數進行相關性分析發現, 在進水中[圖 3(a)]W3和W6廠中四環素類抗生素(E-OTC、E-TC、TC)和大環內酯類(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的COD、TN、NH4+-N、pH均呈正相關關系, 而β-內酰胺類抗生素與4種水質參數呈負相關關系, 小城鎮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殖場使用的獸用抗生素. OTC和SD濃度較高, 并且養殖廢水是高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均有較強的相關性, 這些抗生素隨著污水處理廠的排水一起進入到環境中, 對環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參數與抗生素濃度的相關性
2.3.2 不同工藝抗生素去除效率
對比進出水后發現, 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問題, 由水質基本參數的去除(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, 對比發現, 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, 發現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素類的吸附性強, 使水中的四環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等的研究發現兩種抗生素在城市污水處理廠中的去除率達到80%以上, 與本研究的結果相似, 說明小城鎮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%, 這與本結果在活性污泥生物處理過程中得出的結果相似. CIP在CASS工藝中有較好的去除率, 去除率均可以達到70%, Kovalova等的研究發現, 在經過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, 發現在經過厭氧消化后, 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%結果接近, 報道中的污水處理廠屬于城市污水處理廠, 有后續的消毒措施, 提高了抗生素的去除效率.
2.3.3 常規水質參數對抗生素去除率的影響
根據圖 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, 可能是由于W1、W2廠為CASS工藝, SRT時間長, 從而對β-內酰胺類抗生素和四環素的代謝產物E-OTC及大環內酯類(ENR、CLR)降解效果好, 并且上述抗生素的降解與COD和NH4+-N呈明顯的正相關關系. ROX和EM這兩種抗生素的去除效果與這3種處理工藝關系不大, EM常作為人類代謝物被檢出, 為失去1個分子H2O的脫水產物.在典型的廢水中(pH為7~8), 大環內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)質子化帶正電, 而活性污泥的表面主要帶負電, 所以大環內酯類抗生素的去除與污泥有很大關系, 若不能被質子化, 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參數的去除率無太多相關性.
圖 4
圖 4 抗生素的去除率與基本水質參數的去除率的相關性分析
3 結論
(1) 通過優化固相萃取法和液相色譜-質譜聯用法, 快速同步準確檢測冀西北典型小城鎮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水質和抗生素的濃度進行了分析, 6個污水處理廠(除W4)的常規水質排放均能達到一級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, 發現去除效果較好.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現, 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-內酰胺類(AMP、PCN)、喹諾酮類(ENR、NOR和OFX)和大環內酯類(CLR)的去除效果最好, Orbal氧化溝工藝四環素類(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基本參數(NH4+-N、TN、COD、pH等)相關性分析后, 發現水質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：環境科學 作者：柴玉峰)
