消毒處理技術(shù)是污水處理工藝的重要組成部分, 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局于2003年要求“城鎮(zhèn)污水處理廠出水應(yīng)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(gè)?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(duì)ARB的有效控制和去除方案.
Guo等認(rèn)為紫外劑量為5.0 mJ?cm-2時(shí), 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(dá)到1.4 log和1.1 log; Oh等在研究（research)不同消毒技術(shù)對(duì)ARB和ARG的去除時(shí)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)次氯酸鈉(Sodium)濃度超過30.0 mg?L-1時(shí), ARB和ARG的去除率超過90%, 臭氧濃度超過3.0 mg?L-1時(shí)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(duì)抗生素抗性基因的去除效果發(fā)現(xiàn), 紫外消毒、氯消毒、紫外耦合（Coupling）次氯酸鈉消毒等對(duì)抗生素抗性基因的去除效果依次為0.8~1.2 lo
G、1.7~2.3 lo
G、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(duì)ARB的去除效果并不是很明顯.
因此本文通過(tōng guò)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的篩除效果, 分析不同消毒技術(shù)去除ARB的優(yōu)劣性.同時(shí), 結(jié)合不同消毒技術(shù)對(duì)化學(xué)需氧量、總氮和氨氮的去除情況, 篩選適合于高排放標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(biāo)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, 出水達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn), 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(duì)比該污水處理廠實(shí)際消毒方式對(duì)ARB的去除效果與本實(shí)驗(yàn)的差異.樣品儲(chǔ)存于5 L無菌采樣瓶, 采集結(jié)束后立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室于4℃保存, 并在48 h內(nèi)稀釋進(jìn)行接種培養(yǎng)實(shí)驗(yàn).
1.3 實(shí)驗(yàn)裝置
本研究采用靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)方式, 共分為4種消毒方式, 依次以
A、
B、
C、d表示, a為超氧消毒, 通過臭氧發(fā)生器 控制臭氧濃度, 消毒時(shí)間為10 min; b為紫外消毒, 紫外劑量=紫外強(qiáng)度×消毒時(shí)間.其中紫外光照由紫外燈管提供, 紫外強(qiáng)度利用紫外輻射計(jì)測(cè)定, 實(shí)驗(yàn)在置于磁力攪拌器上并放入轉(zhuǎn)子攪拌的燒杯中進(jìn)行; c為次氯酸鈉消毒, 采用六聯(lián)攪拌器, 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(shí)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(cè)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(guó)的分布情況, 本研究選擇氨芐霉素抗性菌、紅霉素抗性菌、四環(huán)素抗性菌、卡那霉素抗性菌及環(huán)丙沙星抗性菌分析該污水處理(chǔ lǐ)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(cè)目標(biāo)ARB.同時(shí)為了說明ARB占HPC的比例, 也對(duì)消毒前后出水中總異養(yǎng)菌數(shù)量進(jìn)行技術(shù)分析.
抗生素溶液的配置：目標(biāo)抗生素濃度依據(jù)《臨床和實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)》中抗生素對(duì)細(xì)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、四環(huán)素、卡那霉素和環(huán)丙沙星溶液的溶劑均為超純水, 并采用0.45 μm水相濾頭過濾; 而紅霉素的溶劑為甲醇, 并采用0.45 μm有機(jī)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(shí)間不宜超過一周.在使用時(shí)根據(jù)所需要抗生素的濃度取相應(yīng)體積母液進(jìn)行稀釋.
表 2 目標(biāo)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, 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, 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(cè)：首先用磷酸鹽緩沖液 將待測(cè)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(gè)之間的平板進(jìn)行計(jì)數(shù), 細(xì)菌計(jì)數(shù)采用細(xì)菌活菌平板計(jì)數(shù)方法. HPC檢測(cè)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(biāo)（target aim)的測(cè)試方法
本實(shí)驗(yàn)過程中各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)采用文獻(xiàn)的方法測(cè)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(biāo)污水處理廠消毒前后出水中5種目標(biāo)ARB的豐度排序?yàn)锳MP>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×103 CFU?mL-1減少到×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(dòng)等因素(factor)密切相關(guān).本研究中目標(biāo)污水處理廠進(jìn)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(rèn)為污水處理廠出水中β-內(nèi)酰胺類ARB占HPC的比例高達(dá)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(guó)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(huì)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(duì)抗生素抗性菌的選擇性去除
抗生素抗性菌占總異養(yǎng)菌的比例變化規(guī)律可進(jìn)一步表明不同消毒處理技術(shù)對(duì)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/HP
C、KAN/HP
C、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.通過超氧、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(shì).現(xiàn)階段關(guān)于消毒技術(shù)對(duì)ARB的選擇性去除效果仍有爭(zhēng)議, 有研究者認(rèn)為紫外消毒會(huì)使TET/HPC上升; 但也有研究者認(rèn)為紫外消毒會(huì)使ERY/HPC和CIP/HPC下降, 卻對(duì)TET無選擇性去除效果.這可能與污水進(jìn)水水質(zhì)、取樣方式和消毒劑量等不同有關(guān).
為ARB/HPC百分比隨超氧濃度變化的情況; 為ARB/HPC百分比隨紫外劑量變化的情況; 為ARB/HPC百分比隨次氯酸鈉濃度變化的情況; 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(duì)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(duì)抗生素抗性菌的強(qiáng)化去除
不同消毒技術(shù)對(duì)不同ARB的強(qiáng)化去除效果不同.對(duì)比實(shí)際污水處理廠中紫外消毒對(duì)HPC和ARB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(dá)到強(qiáng)化去除ARB的效果, 甚至使部分ARB失活. 圖 3所示, 臭氧濃度的增加能夠強(qiáng)化去除ARB.臭氧濃度在5.0 mg?L-1時(shí), HPC和ARB含量迅速降低（reduce)且去除率在45.5%~74.5%;當(dāng)臭氧濃度增加到30.0 mg?L-1時(shí), ARB基本失活.其中ERY的去除率高達(dá)99.6%, 這是因?yàn)榇蟓h(huán)內(nèi)酯類抗生素含有不飽和（saturation）的酯鍵, 該鍵為易水解的快速反應(yīng)敏感化學(xué)鍵, 而臭氧一般會(huì)優(yōu)先對(duì)反應(yīng)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(jī)制, 進(jìn)而減少ARB含量.另外, 臭氧與不同的過濾處理聯(lián)合作用時(shí), 可以進(jìn)一步降低污水處理廠出水的抗生素抗性菌含量.
為ARB濃度隨臭氧濃度變化的情況; 為ARB濃度隨紫外劑量變化的情況; 為ARB濃度隨次氯酸鈉濃度變化的情況; 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(duì)不同抗生素抗性菌的去除效果
圖 3所示, 紫外劑量的增加能夠強(qiáng)化ARB 的去除.紫外消毒對(duì)HPC和ARB的去除效果相對(duì)較差, 紫外劑量為30.0 mJ?cm-2時(shí), ARB去除率為46.2%~70.5%;當(dāng)紫外劑量達(dá)到90.0 mJ?cm-2時(shí), ARB去除率為86.4%~98.6%. Guo等也發(fā)現(xiàn)當(dāng)污水處理廠的紫外劑量高于50 mJ?cm-2時(shí)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(shí)間實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化去除ARB的目的.
圖 3所示, 次氯酸鈉濃度增加能夠強(qiáng)化去除ARB.次氯酸鈉濃度在25.0 mg?L-1時(shí), ARB去除率為66.1%~85.5%, 且高濃度的次氯酸鈉消毒對(duì)5種ARB均有較好的去除效果, 甚至使部分ARB失活, 如TE
T、KA
N、CIP.對(duì)比圖 3和圖 3, 表明次氯酸鈉耦合紫外的消毒方式對(duì)HPC和ARB的去除效果優(yōu)于單獨(dú)的次氯消毒, 該觀點(diǎn)與Munir等[4]的實(shí)驗(yàn)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(shí), ARB去除率為72.7%~88.2%.
2.4 不同消毒技術(shù)對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的影響
圖 4所示, 臭氧濃度的增加可以加以強(qiáng)化COD和NH4+-N的去除.臭氧濃度為10.0 mg?L-1時(shí), 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(dāng)臭氧濃度達(dá)到30.0 mg?L-1時(shí), COD和NH4+-N去除率約為68.0%, 與Martínez等研究成果較為接近. 圖 4所示, 紫外劑量的增加能夠促進(jìn)去除COD和NH4+-N .但是紫外消毒對(duì)COD和NH4+-N去除效果較差, 紫外劑量為90.0 mJ?cm-2時(shí), 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(duì)比圖 4和圖 4, 發(fā)現(xiàn)次氯酸鈉濃度的增加能夠強(qiáng)化去除COD和NH4+-N, 并且紫外耦合次氯酸鈉消毒時(shí), 低濃度次氯酸鈉條件下, COD和NH4+-N分別降至22.5 mg?L-1和0.9 mg?L-1, 相應(yīng)去除率分別為27.4%和21.7%;當(dāng)次氯消毒濃度高達(dá)100.0 mg?L-1時(shí), 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(jī)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(jī)理有關(guān), 在氨氮存在的條件下, 氯和氨氮反應(yīng)生成一氯胺、二氯胺等物質(zhì), 一氯胺進(jìn)一步被氧化成氮, 二氯胺則反應(yīng)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(duì)TN基本沒有去除能力.
為CO
D、TN和NH4+-N濃度隨臭氧濃度變化的情況; 為CO
D、TN和NH4+-N濃度隨紫外劑量變化的情況; 為CO
D、TN和NH4+-N濃度隨次氯酸鈉濃度變化的情況; 為在紫外劑量為30.0 mJ?cm-2的條件下, CO
D、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(duì)水質(zhì)指標(biāo)的去除效果
同時(shí), 綜合圖 3與圖 4中消毒技術(shù)對(duì)AR
B、CO
D、NH4+-N的去除效果, 發(fā)現(xiàn)當(dāng)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(shí), 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(duì)ARB的去除效果更佳.污水處理廠實(shí)際選用臭氧、紫外、次氯酸鈉及次氯酸鈉耦合紫外消毒時(shí), 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(jì)合理的次氯酸鈉耦合紫外消毒方式, 實(shí)現(xiàn)對(duì)污水處理廠出水中AR
B、COD和NH4+-N的強(qiáng)化篩除.具體參見污水寶商城資料或
3 結(jié)論
污水處理廠出水中含量最多的ARB為AMP, 污水處理廠實(shí)際紫外消毒對(duì)ARB的去除率僅為18.2%~40.9%.
4種消毒技術(shù)對(duì)ARB具有選擇性篩除效果, 對(duì)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%.
確定了不同消毒處理(chǔ lǐ)技術(shù)的最佳濃度或劑量：臭氧濃度為5.0 mg?L-1時(shí), 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(shí), 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(shí), 其對(duì)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(shí)耦合紫外消毒ARB的去除效果更佳.
