根据国家食品药品监督管理局和化学工业学会和制药工业学会相关统计, 我国是抗生素的生产大国, 年生产量约为21万t.抗生素的大量使用使环境中抗生素抗性菌(antibiotic resistant bacteria, ARB)和抗生素抗性基因(antibiotic resistant gene, ARG)的含量也随之增加, 而且城市污水处理厂已经成为环境体系中ARB和ARG的储存库.但是污水处理厂的二级水处理技术对ARB的消减作用不佳, 污水处理厂出水中仍含大量ARB, 其含量为5.0×102~6.1×105 CFU·(100 mL)-1, 具有潜在的环境健康风险.而研究表明污水处理厂的消毒处理技术能够进一步去除生化反应没有去除的ARB, 减少ARB对环境的危害, 从而保护公众身体健康.
消毒处理技术是污水处理工艺的重要组成部分, 国家环境保护总局(现国家环境保护部)于2003年要求“城镇污水处理厂出水应结合氯、紫外线或臭氧等消毒处理, 保证污水出水中粪大肠杆菌小于103个·L-1”.如今, 污水处理工艺中常见的消毒技术有臭氧消毒、紫外消毒和氯消毒, 但是关于消毒技术去除ARB的研究并不是很多, 而且结论也存在一定的差异性, 没有提出对ARB的有效控制和去除方案.
Guo等认为紫外剂量为5.0 mJ·cm-2时, 污水处理厂出水中红霉素抗性菌和四环素抗性菌的去除率可达到1.4 log和1.1 log; Oh等在研究不同消毒技术对ARB和ARG的去除时发现：当次氯酸钠浓度超过30.0 mg·L-1时, ARB和ARG的去除率超过90%, 臭氧浓度超过3.0 mg·L-1时ARB和ARG的去除率超过90%, 另外臭氧消毒过程中投加双氧水等氧化剂能够一定程度上提高ARB的去除效率. Zhang通过分析不同的消毒技术对抗生素抗性基因的去除效果发现, 紫外消毒(500.0 mJ·cm-2)、氯消毒(40.0 mg·L-1)、紫外(62.0 mJ·cm-2)耦合次氯酸钠(5.0 mg·L-1)消毒等对抗生素抗性基因的去除效果依次为0.8~1.2 log、1.7~2.3 log、1.1~1.9 log和2.4~3.5 log.但是, Munir等研究发现氯消毒和紫外消毒对ARB的去除效果并不是很明显(P>0.05).
因此本文通过研究污水处理厂出水经过不同消毒技术处理后不同ARB的去除效果, 分析不同消毒技术去除ARB的优劣性.同时, 结合不同消毒技术对化学需氧量(COD)、总氮(TN)和氨氮(NH4+-N)的去除情况, 筛选适合于高排放标准污水处理厂的消毒方法和消毒药剂最佳投量, 以期为未来城市污水处理厂关于ARB的环境风险评估和优化去除提供理论依据和技术支持.
1 材料与方法1.1 目标污水处理厂
本研究选择位于无锡市的某污水处理厂, 该污水处理厂采用传统的序批式活性污泥工艺(sequencing batch reactor, SBR), 出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002) 的一级A标准, 消毒采用紫外消毒技术, 该污水处理厂的基本情况如表 1所示.
表 1 污水处理厂基本情况
1.2 样品采集
样品采集于污水处理厂SBR工艺的滤布滤池出水处和紫外消毒出水处, 从而有利于对比该污水处理厂实际消毒方式对ARB的去除效果与本实验的差异.样品储存于5 L无菌采样瓶, 采集结束后立即运回实验室于4℃保存, 并在48 h内稀释进行接种培养实验.
1.3 实验装置
本研究采用静态模拟实验方式, 共分为4种消毒方式, 依次以a、b、c、d表示, a为臭氧消毒, 通过臭氧发生器(COM-AD-01) 控制臭氧浓度, 消毒时间为10 min; b为紫外消毒, 紫外剂量=紫外强度×消毒时间.其中紫外光照由紫外灯管(YUVC-30W)提供, 紫外强度利用紫外辐射计(UV-B)测定, 实验在置于磁力搅拌器上并放入转子搅拌的烧杯中进行; c为次氯酸钠消毒, 采用六联搅拌器(MY3000-6A), 消毒30 min, 转速为200 r·min-1; d为紫外耦合次氯酸钠消毒, 次氯酸钠消毒时间30 min, 其中紫外消毒剂量恒定为30 mJ·cm-2.
1.4 抗生素抗性菌的检测方法
参考抗生素的分类、抗生素的使用以及抗生素抗性菌在我国的分布情况, 本研究选择氨苄霉素抗性菌(ampicillin resistant bacteria, AMP)、红霉素抗性菌(erythromycin resistant bacteria, ERY)、四环素抗性菌(tetracycline resistant bacteria, TET)、卡那霉素抗性菌(kanamycin resistant bacteria, KAN)及环丙沙星抗性菌(ciprofloxacin resistant bacteria, CIP)分析该污水处理厂消毒前后出水中ARB的分布规律, 并利用传统的异养菌平板培养法来检测目标ARB.同时为了说明ARB占HPC的比例, 也对消毒前后出水中总异养菌数量进行技术分析.
抗生素溶液的配置：目标抗生素浓度依据《临床和实验室标准协会》(Clinical And Laboratory Standards Institute, CLSI)中抗生素对细菌的最小抑制浓度确定, 具体如表 2所示.首先配制高浓度的抗生素作为母液, 其中氨苄霉素(10 g·L-1)、四环素(1 g·L-1)、卡那霉素(10 g·L-1)和环丙沙星(1 g·L-1)溶液的溶剂均为超纯水, 并采用0.45 μm水相滤头过滤; 而红霉素(10 g·L-1)的溶剂为甲醇, 并采用0.45 μm有机相滤头过滤.过滤之后的抗生素溶液需保存于-20℃冰箱中, 且保存时间不宜超过一周.在使用时根据所需要抗生素的浓度取相应体积母液进行稀释.
表 2 目标抗生素基础信息及使用浓度
抗生素培养基制备：培养基R2A agar(CM0906, OXOID, 配制浓度为18.1 g·L-1), 用蒸馏水配好后于121℃高压灭菌20 min, 冷却至60~70℃后根据表 2中抗生素的使用浓度, 加入一定量的抗生素母液(用于总异养菌计数的平板无需添加抗生素, 直接倒平板即可), 与培养基混合均匀后倒入平板中, 待冷却至室温后使用.
ARB检测：首先用磷酸盐缓冲液(PBS, pH=7.4) 将待测水样梯度稀释, 取50 μL接种于含抗生素的R2A琼脂平板中, 在37℃培养箱中培养24 h, 选取菌落数在30~300个之间的平板进行计数, 细菌计数采用细菌活菌平板计数方法. HPC检测的方法同ARB一样, 只是将接种平板更换为无抗生素平板.
1.5 水质指标的测试方法
本实验过程中各项水质指标采用文献的方法测定, 其中COD采用重铬酸钾快速烘箱法; NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法; TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法.
2 结果与讨论2.1 污水处理厂消毒前后抗生素抗性菌的分布
由图 1可知, 目标污水处理厂消毒前后出水中5种目标ARB的丰度排序为AMP>ERY>TET>KAN>CIP, 经过紫外消毒处理后污水处理厂出水中HPC由13.0×103 CFU·mL-1减少至7.0×103 CFU·mL-1, 去除率为53.8%; ARB由(0.2~5.6)×103 CFU·mL-1减少到(0.1~4.0)×103 CFU·mL-1, 去除率为18.2%~40.9%. ARB的分布与区域周边生活污水、工业废水的排放以及人类活动等因素密切相关.本研究中目标污水处理厂进水中含有45.0%的工业废水, AMP是该污水处理厂出水中含量最多的ARB. Yuan等也认为污水处理厂出水中β-内酰胺类ARB占HPC的比例高达30%.而且研究者也发现污水处理厂β-内酰胺类ARB浓度明显高于其他类ARB, 其主要原因是氨苄霉素属于β-内酰胺类抗生素, 而这类抗生素是我国医疗抗生素中最常使用的药物, 该类抗生素大量排放后会引起其抗性菌的增多.
图 1 污水处理厂紫外消毒前后抗生素抗性菌的分布情况
2.2 不同消毒技术对抗生素抗性菌的选择性去除
抗生素抗性菌占总异养菌的比例(ARB/HPC)变化规律可进一步表明不同消毒处理技术对ARB的选择性去除效果.如图 2所示, AMP/HPC最高为37.5%~57.9%; ERY/HPC次之, 约为1.4%~16.9%; TET/HPC、KAN/HPC、CIP/HPC均在5.0%以下.从中可知, 随着消毒剂量增加, ARB/HPC也发生变化.通过臭氧、紫外以及氯消毒之后, ERY/HPC和KAN/HPC均有所降低, CIP/HPC却有所增加, 而AMP/HPC和TET/HPC无明显变化趋势(P<0.05).现阶段关于消毒技术对ARB的选择性去除效果仍有争议, 有研究者认为紫外消毒会使TET/HPC上升; 但也有研究者认为紫外消毒会使ERY/HPC和CIP/HPC下降, 却对TET无选择性去除效果.这可能与污水进水水质、取样方式和消毒剂量等不同有关.
(a)为ARB/HPC百分比随臭氧浓度变化的情况; (b)为ARB/HPC百分比随紫外剂量变化的情况; (c)为ARB/HPC百分比随次氯酸钠浓度变化的情况; (d)为在紫外剂量为30.0 mJ·cm-2的条件下, ARB/HPC百分比随次氯酸钠浓度变化的情况
图 2 不同消毒技术对抗生素抗性菌占总异养菌比例的影响
2.3 不同消毒技术对抗生素抗性菌的强化去除
不同消毒技术对不同ARB的强化去除效果不同.对比实际污水处理厂中紫外消毒对HPC(去除率为53.8%)和ARB(去除率为18.2%~40.9%)的去除效果, 发现增加污水处理厂消毒浓度或剂量能够达到强化去除ARB的效果, 甚至使部分ARB失活. 图 3(a)所示, 臭氧浓度的增加能够强化去除ARB(P<0.05).臭氧浓度在5.0 mg·L-1时, HPC和ARB含量迅速降低且去除率在45.5%~74.5%;当臭氧浓度增加到30.0 mg·L-1时, ARB基本失活.其中ERY的去除率高达99.6%, 这是因为大环内酯类抗生素含有不饱和的酯键, 该键为易水解的快速反应敏感化学键, 而臭氧一般会优先对反应速度快的物质发挥杀菌作用, 抑制这些抗生素的作用机制, 进而减少ARB含量.另外, 臭氧与不同的过滤处理(砂滤或活性炭)联合作用时, 可以进一步降低污水处理厂出水的抗生素抗性菌含量.
(a)为ARB浓度随臭氧浓度变化的情况; (b)为ARB浓度随紫外剂量变化的情况; (c)为ARB浓度随次氯酸钠浓度变化的情况; (d)为在紫外剂量为30.0 mJ·cm-2的条件下, ARB浓度随次氯酸钠浓度变化的情况
图 3 不同消毒技术对不同抗生素抗性菌的去除效果
图 3(b)所示, 紫外剂量的增加能够强化ARB(P<0.05) 的去除.紫外消毒对HPC和ARB的去除效果相对较差, 紫外剂量为30.0 mJ·cm-2时, ARB去除率为46.2%~70.5%;当紫外剂量达到90.0 mJ·cm-2时, ARB去除率为86.4%~98.6%. Guo等也发现当污水处理厂的紫外剂量高于50 mJ·cm-2时ARB基本失活.另外, 可以通过减缓出水流速, 增加出水经过紫外消毒的停留时间实现强化去除ARB的目的.
图 3(c)所示, 次氯酸钠浓度增加能够强化去除ARB(P<0.05).次氯酸钠浓度在25.0 mg·L-1时, ARB去除率为66.1%~85.5%, 且高浓度的次氯酸钠消毒对5种ARB均有较好的去除效果, 甚至使部分ARB失活, 如TET、KAN、CIP.对比图 3(c)和图 3(d), 表明次氯酸钠耦合紫外的消毒方式对HPC和ARB的去除效果优于单独的次氯消毒, 该观点与Munir等[4]的实验结论一致, 次氯酸钠浓度和紫外剂量分别在25.0 mg·L-1和30.0 mJ·cm-2时, ARB去除率为72.7%~88.2%.
2.4 不同消毒技术对水质指标的影响
图 4(a)所示, 臭氧浓度的增加能够加以强化COD和NH4+-N的去除(P<0.05).臭氧浓度为10.0 mg·L-1时, COD和NH4+-N分别由31.0 mg·L-1和1.1 mg·L-1降至15.0 mg·L-1和0.7 mg·L-1; 当臭氧浓度达到30.0 mg·L-1时, COD和NH4+-N去除率约为68.0%, 与Martínez等研究成果较为接近. 图 4(b)所示, 紫外剂量的增加能够促进去除COD和NH4+-N (P<0.05).但是紫外消毒对COD和NH4+-N去除效果较差, 紫外剂量为90.0 mJ·cm-2时, COD和NH4+-N去除率仅为19.4%和11.2%, 该结论与Vaccari等的结论相吻合.对比图 4(c)和图 4(d), 发现次氯酸钠浓度的增加能够强化去除COD和NH4+-N(P<0.05), 并且紫外耦合次氯酸钠消毒时, 低浓度次氯酸钠(25.0 mg·L-1)条件下, COD和NH4+-N分别降至22.5 mg·L-1和0.9 mg·L-1, 相应去除率分别为27.4%和21.7%;当次氯消毒浓度高达100.0 mg·L-1时, COD和NH4+-N去除率依次为41.9%和42.0%.其原因在于, 臭氧和次氯酸钠能够将水体中的有机物质氧化, 从而使污水中COD降低.而NH4+-N的去除主要与次氯酸钠的消毒机理有关, 在氨氮存在的条件下, 氯和氨氮反应生成一氯胺、二氯胺等物质, 一氯胺进一步被氧化成氮, 二氯胺则反应生成硝酸盐, 从而使水中游离氨氮浓度降低.但是, 4种消毒技术对TN基本没有去除能力(P>0.05).
(a)为COD、TN和NH4+-N浓度随臭氧浓度变化的情况; (b)为COD、TN和NH4+-N浓度随紫外剂量变化的情况; (c)为COD、TN和NH4+-N浓度随次氯酸钠浓度变化的情况; (d)为在紫外剂量为30.0 mJ·cm-2的条件下, COD、TN和NH4+-N浓度随次氯酸钠浓度变化的情况
图 4 不同消毒技术对水质指标的去除效果
同时, 综合图 3与图 4中消毒技术对ARB、COD、NH4+-N的去除效果, 发现当臭氧浓度、紫外剂量、次氯酸钠浓度依次为5.0 mg·L-1、45.0 mJ·cm-2、25.0 mg·L-1时, ARB的去除率增速最快, 而继续增加消毒浓度或剂量, ARB的去除率增速反而降低, 因此本研究将以上浓度视为消毒的最佳浓度或剂量.而且, 次氯酸钠耦合紫外消毒对ARB的去除效果更佳.污水处理厂实际选用臭氧、紫外、次氯酸钠及次氯酸钠耦合紫外消毒时, 所需成本分别为0.1、0.02~0.03、0.02~0.04和0.02~0.04元·m-3，且污水处理厂处理水量越大消毒处理成本越低, 因此建议该污水处理厂出水消毒处理采用经济合理的次氯酸钠耦合紫外消毒方式, 实现对污水处理厂出水中ARB、COD和NH4+-N的强化去除.具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。
3 结论
(1) 污水处理厂出水中含量最多的ARB为AMP, 污水处理厂实际紫外消毒对ARB的去除率仅为18.2%~40.9%.
(2)4种消毒技术对ARB具有选择性去除效果, 对ERY的选择性去除效果较好, 但其他4种ARB无明显选择性去除效果.其中ERY/HPC由16.9%降至1.4%, CIP/HPC反而由1.0%增至5.7%(P<0.05).
(3) 确定了不同消毒处理技术的最佳浓度或剂量：臭氧浓度为5.0 mg·L-1时, ARB的去除率为45.5%~74.5%, COD和NH4+-N去除率分别为32.3%和33.1%;紫外消毒剂量为45.0 mJ·cm-2时, ARB的去除率为68.6%~85.5%, COD和NH4+-N去除率分别为19.4%和11.2%.次氯酸钠浓度为25.0 mg·L-1时, 其对ARB的去除率为66.1%~85.5%, COD和NH4+-N去除率分别为37.1%和26.5%, 同时耦合紫外消毒ARB的去除效果更佳.
