根據國家食品藥品監督管理局和化學工業學會和制藥工業學會相關統計, 我國是抗生素的生產大國, 年生產量約為21萬t.抗生素的大量使用使環境中抗生素抗性菌(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成為環境體系中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, 具有潛在的環境健康風險.而研究表明污水處理廠的消毒處理技術能夠進一步去除生化反應沒有去除的ARB, 減少ARB對環境的危害, 從而保護公眾身體健康.

　　消毒處理技術是污水處理工藝的重要組成部分, 國家環境保護總局(現國家環境保護部)于2003年要求“城鎮污水處理廠出水應結合氯、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有臭氧消毒、紫外消毒和氯消毒, 但是關于消毒技術去除ARB的研究并不是很多, 而且結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對ARB和ARG的去除時發現：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對抗生素抗性基因的去除效果發現, 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等研究發現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過不同消毒技術處理后不同ARB的去除效果, 分析不同消毒技術去除ARB的優劣性.同時, 結合不同消毒技術對化學需氧量(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于ARB的環境風險評估和優化去除提供理論依據和技術支持.

　　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的序批式活性污泥工藝(sequencing batch reactor, SBR), 出水達到《城鎮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, 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, 采集結束后立即運回實驗室于4℃保存, 并在48 h內稀釋進行接種培養實驗.

　　1.3 實驗裝置

　　本研究采用靜態模擬實驗方式, 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子攪拌的燒杯中進行; c為次氯酸鈉消毒, 采用六聯攪拌器(MY3000-6A), 消毒30 min, 轉速為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)、四環素抗性菌(tetracycline resistant bacteria, TET)、卡那霉素抗性菌(kanamycin resistant bacteria, KAN)及環丙沙星抗性菌(ciprofloxacin resistant bacteria, CIP)分析該污水處理廠消毒前后出水中ARB的分布規律, 并利用傳統的異養菌平板培養法來檢測目標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菌數量進行技術分析.

　　抗生素溶液的配置：目標抗生素濃度依據《臨床和實驗室標準協會》(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)、四環素(1 g·L-1)、卡那霉素(10 g·L-1)和環丙沙星(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 目標抗生素基礎信息及使用濃度

　　抗生素培養基制備：培養基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(用于總異養菌計數的平板無需添加抗生素, 直接倒平板即可), 與培養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℃培養箱中培養24 h, 選取菌落數在30~300個之間的平板進行計數, 細菌計數采用細菌活菌平板計數方法. 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 水質指標的測試方法

　　本實驗過程中各項水質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的分布與區域周邊生活污水、工業廢水的排放以及人類活動等因素密切相關.本研究中目標污水處理廠進水中含有45.0%的工業廢水, 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-內酰胺類ARB占HPC的比例高達30%.而且研究者也發現污水處理廠β-內酰胺類ARB濃度明顯高于其他類ARB, 其主要原因是氨芐霉素屬于β-內酰胺類抗生素, 而這類抗生素是我國醫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 不同消毒技術對抗生素抗性菌的選擇性去除

　　抗生素抗性菌占總異養菌的比例(ARB/HPC)變化規律可進一步表明不同消毒處理技術對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).現階段關于消毒技術對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、取樣方式和消毒劑量等不同有關.

(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 不同消毒技術對抗生素抗性菌占總異養菌比例的影響

　　2.3 不同消毒技術對抗生素抗性菌的強化去除

　　不同消毒技術對不同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, 發現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%, 這是因為大環內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, 而臭氧一般會優先對反應速度快的物質發揮殺菌作用, 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等也發現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, 增加出水經過紫外消毒的停留時間實現強化去除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的去除效果優于單獨的次氯消毒, 該觀點與Munir等[4]的實驗結論一致, 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 不同消毒技術對水質指標的影響

　　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%, 該結論與Vaccari等的結論相吻合.對比圖 4(c)和圖 4(d), 發現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將水體中的有機物質氧化, 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, 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, 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 不同消毒技術對水質指標的去除效果

　　同時, 綜合圖 3與圖 4中消毒技術對ARB、COD、NH4+-N的去除效果, 發現當臭氧濃度、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濟合理的次氯酸鈉耦合紫外消毒方式, 實現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://m.dongaorq.cn更多相關技術文檔。

　　3 結論

　　(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.