根據(jù)國家食品藥品監(jiān)督管理局和化學工業(yè)學會和制藥工業(yè)學會相關(guān)統(tǒng)計, 我國是抗生素的生產(chǎn)大國, 年生產(chǎn)量約為21萬t.抗生素的大量使用使環(huán)境中抗生素抗性菌(antibiotic resistant bacteria, ARB)和抗生素抗性基因(antibiotic resistant gene, ARG)的含量也隨之增加, 而且城市污水處理廠已經(jīng)成為環(huán)境體系中ARB和ARG的儲存庫.但是污水處理廠的二級水處理技術(shù)對ARB的消減作用不佳, 污水處理廠出水中仍含大量ARB, 其含量為5.0×102~6.1×105 CFU·(100 mL)-1, 具有潛在的環(huán)境健康風險.而研究表明污水處理廠的消毒處理技術(shù)能夠進一步去除生化反應沒有去除的ARB, 減少ARB對環(huán)境的危害, 從而保護公眾身體健康.
消毒處理技術(shù)是污水處理工藝的重要組成部分, 國家環(huán)境保護總局(現(xiàn)國家環(huán)境保護部)于2003年要求“城鎮(zhèn)污水處理廠出水應結(jié)合氯、紫外線或臭氧等消毒處理, 保證污水出水中糞大腸桿菌小于103個·L-1”.如今, 污水處理工藝中常見的消毒技術(shù)有臭氧消毒、紫外消毒和氯消毒, 但是關(guān)于消毒技術(shù)去除ARB的研究并不是很多, 而且結(jié)論也存在一定的差異性, 沒有提出對ARB的有效控制和去除方案.
Guo等認為紫外劑量為5.0 mJ·cm-2時, 污水處理廠出水中紅霉素抗性菌和四環(huán)素抗性菌的去除率可達到1.4 log和1.1 log; Oh等在研究不同消毒技術(shù)對ARB和ARG的去除時發(fā)現(xiàn)：當次氯酸鈉濃度超過30.0 mg·L-1時, ARB和ARG的去除率超過90%, 臭氧濃度超過3.0 mg·L-1時ARB和ARG的去除率超過90%, 另外臭氧消毒過程中投加雙氧水等氧化劑能夠一定程度上提高ARB的去除效率. Zhang通過分析不同的消毒技術(shù)對抗生素抗性基因的去除效果發(fā)現(xiàn), 紫外消毒(500.0 mJ·cm-2)、氯消毒(40.0 mg·L-1)、紫外(62.0 mJ·cm-2)耦合次氯酸鈉(5.0 mg·L-1)消毒等對抗生素抗性基因的去除效果依次為0.8~1.2 log、1.7~2.3 log、1.1~1.9 log和2.4~3.5 log.但是, Munir等研究發(fā)現(xiàn)氯消毒和紫外消毒對ARB的去除效果并不是很明顯(P>0.05).
因此本文通過研究污水處理廠出水經(jīng)過不同消毒技術(shù)處理后不同ARB的去除效果, 分析不同消毒技術(shù)去除ARB的優(yōu)劣性.同時, 結(jié)合不同消毒技術(shù)對化學需氧量(COD)、總氮(TN)和氨氮(NH4+-N)的去除情況, 篩選適合于高排放標準污水處理廠的消毒方法和消毒藥劑最佳投量, 以期為未來城市污水處理廠關(guān)于ARB的環(huán)境風險評估和優(yōu)化去除提供理論依據(jù)和技術(shù)支持.
1 材料與方法1.1 目標污水處理廠
本研究選擇位于無錫市的某污水處理廠, 該污水處理廠采用傳統(tǒng)的序批式活性污泥工藝(sequencing batch reactor, SBR), 出水達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002) 的一級A標準, 消毒采用紫外消毒技術(shù), 該污水處理廠的基本情況如表 1所示.
表 1 污水處理廠基本情況
1.2 樣品采集
樣品采集于污水處理廠SBR工藝的濾布濾池出水處和紫外消毒出水處, 從而有利于對比該污水處理廠實際消毒方式對ARB的去除效果與本實驗的差異.樣品儲存于5 L無菌采樣瓶, 采集結(jié)束后立即運回實驗室于4℃保存, 并在48 h內(nèi)稀釋進行接種培養(yǎng)實驗.
1.3 實驗裝置
本研究采用靜態(tài)模擬實驗方式, 共分為4種消毒方式, 依次以a、b、c、d表示, a為臭氧消毒, 通過臭氧發(fā)生器(COM-AD-01) 控制臭氧濃度, 消毒時間為10 min; b為紫外消毒, 紫外劑量=紫外強度×消毒時間.其中紫外光照由紫外燈管(YUVC-30W)提供, 紫外強度利用紫外輻射計(UV-B)測定, 實驗在置于磁力攪拌器上并放入轉(zhuǎn)子攪拌的燒杯中進行; c為次氯酸鈉消毒, 采用六聯(lián)攪拌器(MY3000-6A), 消毒30 min, 轉(zhuǎn)速為200 r·min-1; d為紫外耦合次氯酸鈉消毒, 次氯酸鈉消毒時間30 min, 其中紫外消毒劑量恒定為30 mJ·cm-2.
1.4 抗生素抗性菌的檢測方法
參考抗生素的分類、抗生素的使用以及抗生素抗性菌在我國的分布情況, 本研究選擇氨芐霉素抗性菌(ampicillin resistant bacteria, AMP)、紅霉素抗性菌(erythromycin resistant bacteria, ERY)、四環(huán)素抗性菌(tetracycline resistant bacteria, TET)、卡那霉素抗性菌(kanamycin resistant bacteria, KAN)及環(huán)丙沙星抗性菌(ciprofloxacin resistant bacteria, CIP)分析該污水處理廠消毒前后出水中ARB的分布規(guī)律, 并利用傳統(tǒng)的異養(yǎng)菌平板培養(yǎng)法來檢測目標ARB.同時為了說明ARB占HPC的比例, 也對消毒前后出水中總異養(yǎng)菌數(shù)量進行技術(shù)分析.
抗生素溶液的配置：目標抗生素濃度依據(jù)《臨床和實驗室標準協(xié)會》(Clinical And Laboratory Standards Institute, CLSI)中抗生素對細菌的最小抑制濃度確定, 具體如表 2所示.首先配制高濃度的抗生素作為母液, 其中氨芐霉素(10 g·L-1)、四環(huán)素(1 g·L-1)、卡那霉素(10 g·L-1)和環(huán)丙沙星(1 g·L-1)溶液的溶劑均為超純水, 并采用0.45 μm水相濾頭過濾; 而紅霉素(10 g·L-1)的溶劑為甲醇, 并采用0.45 μm有機相濾頭過濾.過濾之后的抗生素溶液需保存于-20℃冰箱中, 且保存時間不宜超過一周.在使用時根據(jù)所需要抗生素的濃度取相應體積母液進行稀釋.
表 2 目標抗生素基礎(chǔ)信息及使用濃度
抗生素培養(yǎng)基制備：培養(yǎng)基R2A agar(CM0906, OXOID, 配制濃度為18.1 g·L-1), 用蒸餾水配好后于121℃高壓滅菌20 min, 冷卻至60~70℃后根據(jù)表 2中抗生素的使用濃度, 加入一定量的抗生素母液(用于總異養(yǎng)菌計數(shù)的平板無需添加抗生素, 直接倒平板即可), 與培養(yǎng)基混合均勻后倒入平板中, 待冷卻至室溫后使用.
ARB檢測：首先用磷酸鹽緩沖液(PBS, pH=7.4) 將待測水樣梯度稀釋, 取50 μL接種于含抗生素的R2A瓊脂平板中, 在37℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h, 選取菌落數(shù)在30~300個之間的平板進行計數(shù), 細菌計數(shù)采用細菌活菌平板計數(shù)方法. HPC檢測的方法同ARB一樣, 只是將接種平板更換為無抗生素平板.
1.5 水質(zhì)指標的測試方法
本實驗過程中各項水質(zhì)指標采用文獻的方法測定, 其中COD采用重鉻酸鉀快速烘箱法; NH4+-N采用納氏試劑分光光度法; TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法.
2 結(jié)果與討論2.1 污水處理廠消毒前后抗生素抗性菌的分布
由圖 1可知, 目標污水處理廠消毒前后出水中5種目標ARB的豐度排序為AMP>ERY>TET>KAN>CIP, 經(jīng)過紫外消毒處理后污水處理廠出水中HPC由13.0×103 CFU·mL-1減少至7.0×103 CFU·mL-1, 去除率為53.8%; ARB由(0.2~5.6)×103 CFU·mL-1減少到(0.1~4.0)×103 CFU·mL-1, 去除率為18.2%~40.9%. ARB的分布與區(qū)域周邊生活污水、工業(yè)廢水的排放以及人類活動等因素密切相關(guān).本研究中目標污水處理廠進水中含有45.0%的工業(yè)廢水, AMP是該污水處理廠出水中含量最多的ARB. Yuan等也認為污水處理廠出水中β-內(nèi)酰胺類ARB占HPC的比例高達30%.而且研究者也發(fā)現(xiàn)污水處理廠β-內(nèi)酰胺類ARB濃度明顯高于其他類ARB, 其主要原因是氨芐霉素屬于β-內(nèi)酰胺類抗生素, 而這類抗生素是我國醫(yī)療抗生素中最常使用的藥物, 該類抗生素大量排放后會引起其抗性菌的增多.
圖 1 污水處理廠紫外消毒前后抗生素抗性菌的分布情況
2.2 不同消毒技術(shù)對抗生素抗性菌的選擇性去除
抗生素抗性菌占總異養(yǎng)菌的比例(ARB/HPC)變化規(guī)律可進一步表明不同消毒處理技術(shù)對ARB的選擇性去除效果.如圖 2所示, AMP/HPC最高為37.5%~57.9%; ERY/HPC次之, 約為1.4%~16.9%; TET/HPC、KAN/HPC、CIP/HPC均在5.0%以下.從中可知, 隨著消毒劑量增加, ARB/HPC也發(fā)生變化.通過臭氧、紫外以及氯消毒之后, ERY/HPC和KAN/HPC均有所降低, CIP/HPC卻有所增加, 而AMP/HPC和TET/HPC無明顯變化趨勢(P<0.05).現(xiàn)階段關(guān)于消毒技術(shù)對ARB的選擇性去除效果仍有爭議, 有研究者認為紫外消毒會使TET/HPC上升; 但也有研究者認為紫外消毒會使ERY/HPC和CIP/HPC下降, 卻對TET無選擇性去除效果.這可能與污水進水水質(zhì)、取樣方式和消毒劑量等不同有關(guān).
(a)為ARB/HPC百分比隨臭氧濃度變化的情況; (b)為ARB/HPC百分比隨紫外劑量變化的情況; (c)為ARB/HPC百分比隨次氯酸鈉濃度變化的情況; (d)為在紫外劑量為30.0 mJ·cm-2的條件下, ARB/HPC百分比隨次氯酸鈉濃度變化的情況
圖 2 不同消毒技術(shù)對抗生素抗性菌占總異養(yǎng)菌比例的影響
2.3 不同消毒技術(shù)對抗生素抗性菌的強化去除
不同消毒技術(shù)對不同ARB的強化去除效果不同.對比實際污水處理廠中紫外消毒對HPC(去除率為53.8%)和ARB(去除率為18.2%~40.9%)的去除效果, 發(fā)現(xiàn)增加污水處理廠消毒濃度或劑量能夠達到強化去除ARB的效果, 甚至使部分ARB失活. 圖 3(a)所示, 臭氧濃度的增加能夠強化去除ARB(P<0.05).臭氧濃度在5.0 mg·L-1時, HPC和ARB含量迅速降低且去除率在45.5%~74.5%;當臭氧濃度增加到30.0 mg·L-1時, ARB基本失活.其中ERY的去除率高達99.6%, 這是因為大環(huán)內(nèi)酯類抗生素含有不飽和的酯鍵, 該鍵為易水解的快速反應敏感化學鍵, 而臭氧一般會優(yōu)先對反應速度快的物質(zhì)發(fā)揮殺菌作用, 抑制這些抗生素的作用機制, 進而減少ARB含量.另外, 臭氧與不同的過濾處理(砂濾或活性炭)聯(lián)合作用時, 可以進一步降低污水處理廠出水的抗生素抗性菌含量.
(a)為ARB濃度隨臭氧濃度變化的情況; (b)為ARB濃度隨紫外劑量變化的情況; (c)為ARB濃度隨次氯酸鈉濃度變化的情況; (d)為在紫外劑量為30.0 mJ·cm-2的條件下, ARB濃度隨次氯酸鈉濃度變化的情況
圖 3 不同消毒技術(shù)對不同抗生素抗性菌的去除效果
圖 3(b)所示, 紫外劑量的增加能夠強化ARB(P<0.05) 的去除.紫外消毒對HPC和ARB的去除效果相對較差, 紫外劑量為30.0 mJ·cm-2時, ARB去除率為46.2%~70.5%;當紫外劑量達到90.0 mJ·cm-2時, ARB去除率為86.4%~98.6%. Guo等也發(fā)現(xiàn)當污水處理廠的紫外劑量高于50 mJ·cm-2時ARB基本失活.另外, 可以通過減緩出水流速, 增加出水經(jīng)過紫外消毒的停留時間實現(xiàn)強化去除ARB的目的.
圖 3(c)所示, 次氯酸鈉濃度增加能夠強化去除ARB(P<0.05).次氯酸鈉濃度在25.0 mg·L-1時, ARB去除率為66.1%~85.5%, 且高濃度的次氯酸鈉消毒對5種ARB均有較好的去除效果, 甚至使部分ARB失活, 如TET、KAN、CIP.對比圖 3(c)和圖 3(d), 表明次氯酸鈉耦合紫外的消毒方式對HPC和ARB的去除效果優(yōu)于單獨的次氯消毒, 該觀點與Munir等[4]的實驗結(jié)論一致, 次氯酸鈉濃度和紫外劑量分別在25.0 mg·L-1和30.0 mJ·cm-2時, ARB去除率為72.7%~88.2%.
2.4 不同消毒技術(shù)對水質(zhì)指標的影響
圖 4(a)所示, 臭氧濃度的增加能夠加以強化COD和NH4+-N的去除(P<0.05).臭氧濃度為10.0 mg·L-1時, COD和NH4+-N分別由31.0 mg·L-1和1.1 mg·L-1降至15.0 mg·L-1和0.7 mg·L-1; 當臭氧濃度達到30.0 mg·L-1時, COD和NH4+-N去除率約為68.0%, 與Martínez等研究成果較為接近. 圖 4(b)所示, 紫外劑量的增加能夠促進去除COD和NH4+-N (P<0.05).但是紫外消毒對COD和NH4+-N去除效果較差, 紫外劑量為90.0 mJ·cm-2時, COD和NH4+-N去除率僅為19.4%和11.2%, 該結(jié)論與Vaccari等的結(jié)論相吻合.對比圖 4(c)和圖 4(d), 發(fā)現(xiàn)次氯酸鈉濃度的增加能夠強化去除COD和NH4+-N(P<0.05), 并且紫外耦合次氯酸鈉消毒時, 低濃度次氯酸鈉(25.0 mg·L-1)條件下, COD和NH4+-N分別降至22.5 mg·L-1和0.9 mg·L-1, 相應去除率分別為27.4%和21.7%;當次氯消毒濃度高達100.0 mg·L-1時, COD和NH4+-N去除率依次為41.9%和42.0%.其原因在于, 臭氧和次氯酸鈉能夠?qū)⑺w中的有機物質(zhì)氧化, 從而使污水中COD降低.而NH4+-N的去除主要與次氯酸鈉的消毒機理有關(guān), 在氨氮存在的條件下, 氯和氨氮反應生成一氯胺、二氯胺等物質(zhì), 一氯胺進一步被氧化成氮, 二氯胺則反應生成硝酸鹽, 從而使水中游離氨氮濃度降低.但是, 4種消毒技術(shù)對TN基本沒有去除能力(P>0.05).
(a)為COD、TN和NH4+-N濃度隨臭氧濃度變化的情況; (b)為COD、TN和NH4+-N濃度隨紫外劑量變化的情況; (c)為COD、TN和NH4+-N濃度隨次氯酸鈉濃度變化的情況; (d)為在紫外劑量為30.0 mJ·cm-2的條件下, COD、TN和NH4+-N濃度隨次氯酸鈉濃度變化的情況
圖 4 不同消毒技術(shù)對水質(zhì)指標的去除效果
同時, 綜合圖 3與圖 4中消毒技術(shù)對ARB、COD、NH4+-N的去除效果, 發(fā)現(xiàn)當臭氧濃度、紫外劑量、次氯酸鈉濃度依次為5.0 mg·L-1、45.0 mJ·cm-2、25.0 mg·L-1時, ARB的去除率增速最快, 而繼續(xù)增加消毒濃度或劑量, ARB的去除率增速反而降低, 因此本研究將以上濃度視為消毒的最佳濃度或劑量.而且, 次氯酸鈉耦合紫外消毒對ARB的去除效果更佳.污水處理廠實際選用臭氧、紫外、次氯酸鈉及次氯酸鈉耦合紫外消毒時, 所需成本分別為0.1、0.02~0.03、0.02~0.04和0.02~0.04元·m-3，且污水處理廠處理水量越大消毒處理成本越低, 因此建議該污水處理廠出水消毒處理采用經(jīng)濟合理的次氯酸鈉耦合紫外消毒方式, 實現(xiàn)對污水處理廠出水中ARB、COD和NH4+-N的強化去除.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
(1) 污水處理廠出水中含量最多的ARB為AMP, 污水處理廠實際紫外消毒對ARB的去除率僅為18.2%~40.9%.
(2)4種消毒技術(shù)對ARB具有選擇性去除效果, 對ERY的選擇性去除效果較好, 但其他4種ARB無明顯選擇性去除效果.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) 確定了不同消毒處理技術(shù)的最佳濃度或劑量：臭氧濃度為5.0 mg·L-1時, ARB的去除率為45.5%~74.5%, COD和NH4+-N去除率分別為32.3%和33.1%;紫外消毒劑量為45.0 mJ·cm-2時, ARB的去除率為68.6%~85.5%, COD和NH4+-N去除率分別為19.4%和11.2%.次氯酸鈉濃度為25.0 mg·L-1時, 其對ARB的去除率為66.1%~85.5%, COD和NH4+-N去除率分別為37.1%和26.5%, 同時耦合紫外消毒ARB的去除效果更佳.
