城市污水處理廠中抗生素的分布與遷移化研究

中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300074

抗生素是指生物（包括動(dòng)物、植物及微生物等）在存活過(guò)程中，通過(guò)一系列的生命活動(dòng)產(chǎn)生或人為產(chǎn)生，在低濃度環(huán)境下，選擇性抑制或影響區(qū)域內(nèi)其他生物物種生存功能的有機(jī)物質(zhì)[1]。城鎮(zhèn)污水處理廠出水中殘留的β-內(nèi)酰胺類(lèi)抗生素可能對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響。因此，研究這些微量污染物在城鎮(zhèn)污水處理廠中的含量及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

人們生活垃圾與有機(jī)物質(zhì)的排放，使水體中微生物快速生長(zhǎng)，這些微生物生命活動(dòng)產(chǎn)生的抗生素在環(huán)境中具備一定的持久性與殘留性，能夠經(jīng)過(guò)地下水持續(xù)被人體攝入。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)不僅會(huì)對(duì)水體中生物的生命造成影響，還會(huì)破壞水環(huán)境，對(duì)生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展造成威脅[2]。

為此應(yīng)將抗生素研究的側(cè)重點(diǎn)置于城市污水處理廠，此區(qū)域水體中自然垃圾較多，十分適宜藻類(lèi)與微生物在其中的生長(zhǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生了大量的抗生素。并且在長(zhǎng)期的發(fā)展中，這些生物受到環(huán)境的影響，已經(jīng)出現(xiàn)了對(duì)抗生物質(zhì)的耐藥性，在此過(guò)程中若不能及時(shí)采取有效的措施對(duì)污水進(jìn)行處理，將導(dǎo)致動(dòng)植物中毒，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)苯訉?dǎo)致動(dòng)植物死亡。除此之外，長(zhǎng)時(shí)間暴露在低溫適宜環(huán)境下的抗生物質(zhì)，會(huì)滋生細(xì)菌，這些產(chǎn)生的細(xì)菌均具備一定的耐藥性，通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，對(duì)人類(lèi)身體健康造成威脅。為此文章將以城市污水處理廠為試點(diǎn)研究區(qū)域，開(kāi)展城市污水處理廠中抗生素的分布與遷移化研究，掌握抗生物質(zhì)的變遷規(guī)律，以此改善水資源環(huán)境發(fā)展現(xiàn)狀。

1 城市污水處理廠中抗生素的分布

抗生物質(zhì)在污水廠中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的沉淀，會(huì)沉積在活性淤泥中。此時(shí)，水中的有機(jī)元素被分解，持續(xù)擴(kuò)散到水中，經(jīng)過(guò)淤泥的吸附作用、動(dòng)物對(duì)其的降解作用、植物的光合作用等進(jìn)行轉(zhuǎn)移。

抗生素在城市污水處理廠最廣泛的分布區(qū)域便是淤泥底部，水體中大量微生物均生長(zhǎng)在水底，且水廠中底部淤泥對(duì)其具有一定的物理吸附作用。抗生素中存在的細(xì)微分子結(jié)構(gòu)被破壞，分子之間的作用力逐步降低。有機(jī)物質(zhì)以液相或絡(luò)合物形式沉積在水底，最終以螯合物形式存在[3]。假定在此種情況下中固液的分離系數(shù)為Kd，那么Kd的取值為0.25～6000L/kg。除此之外，在對(duì)城市污水廠中有機(jī)物質(zhì)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，抗生素在污水處理廠底部淤泥中的分布，與其水體環(huán)境、水中有機(jī)物質(zhì)的理化性能等有著直接的關(guān)系。并且，不同的抗生素分子結(jié)構(gòu)不同，即在底部的生存能力不同，并且均與吸附等溫方程的有關(guān)。青霉素作為生活中或醫(yī)療行業(yè)的一種常用抗生素，其吸附能力便與其自身的濃度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。隨著自身濃度的增加，此種抗生物質(zhì)的吸附能力逐漸增強(qiáng)，由此越來(lái)越容易沉積在污水處理廠底部。除此之外，在相關(guān)實(shí)地考察中發(fā)現(xiàn)，抗生素的分布與城市污水處理廠中的水體的pH值均有著直接關(guān)系。具體如圖1所示。

圖1 抗生素在城市污水處理廠中分布受pH值的影響

由圖1可知，在35.0℃的環(huán)境中，抗生素的分布與污水處理廠中水體的pH值存在一定函數(shù)關(guān)系。倘若此時(shí)整體環(huán)境的pH值在6.0附近，是抗生素最適宜的生存環(huán)境，淤泥及底部巖石上附著的抗生物質(zhì)含量高，容易附著在污水處理廠底部。

同時(shí)，在低濃度污水中，處理廠中微生物物質(zhì)繁衍較為劇烈，在微生物的作用下，抗生素極易發(fā)生降解。例如，抗生素分子結(jié)構(gòu)中一些活性物質(zhì)被破壞，導(dǎo)致水體中抗生物質(zhì)的含量降低[4]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，目前社會(huì)中使用的磺胺類(lèi)試劑對(duì)抗生素的生長(zhǎng)存在一定抑制的作用。尤其在水體微生物發(fā)酵后，散發(fā)熱量使水體溫度升高，可對(duì)水體中的微生物起到消除作用。在此情況下，污水處理廠中剩余的抗生素分子通常以游離的狀態(tài)漂浮在水體表面層，不易依附物質(zhì)生存，這也就是人們常說(shuō)的漂浮在水面表層的浮游物質(zhì)。國(guó)內(nèi)外關(guān)于此方面的研究成果表明，目前污水處理廠中殘留抗生素的現(xiàn)象十分普遍，尤其是游離在水體表層的物質(zhì)，更容易被檢測(cè)出來(lái)，也十分容易摸索在此區(qū)域內(nèi)水體中抗生素的分布規(guī)律及存活方式，只是不同類(lèi)型的水體中含有抗生素的種類(lèi)與抗生素的濃度不同。

2 抗生素的遷移化研究

為了緩解水體中抗生物質(zhì)對(duì)水環(huán)境的影響，在掌握城市污水處理廠中抗生素分布的基礎(chǔ)上，持續(xù)開(kāi)展抗生素遷移化研究。

污水處理廠中水體通常為生活廢水及工業(yè)廢水，但無(wú)論哪種廢水，在水體收集處理后24h之內(nèi)均會(huì)存在一定的水質(zhì)波動(dòng)[5]。因此，在此過(guò)程中采用物化處理的方式，使用多種物理手段。包括混凝、沉淀、吸附、等價(jià)離子交換、濃縮、加熱蒸發(fā)等。對(duì)污水處理廠中抗生素執(zhí)行一級(jí)遷移工作。以目標(biāo)抗生素的含量為處理標(biāo)準(zhǔn)，從而確定一級(jí)遷移的去除率。計(jì)算公式如下：

式中：Min為一級(jí)處理24h內(nèi)水體中抗生素物質(zhì)的總含量，g；Q為在此過(guò)程中污水處理廠的處理污水總量，1.0×104m3/d；Cin為抗生素含量濃度，mg/L。通過(guò)對(duì)以上公式的分析，確定了污水處理廠的抗生素濃度，采用二級(jí)生物處理方式，持續(xù)對(duì)水體中抗生素進(jìn)行遷移[6]。此過(guò)程如表1所示。

表1 抗生素二級(jí)生物遷移處理

根據(jù)城市污水處理廠中抗生素的種類(lèi)，對(duì)其執(zhí)行上述二級(jí)生物遷移工作。此時(shí)，可將隨水體處理的抗生素總量作為遷移的依據(jù)，計(jì)算抗生素遷移化的百分率。公式如下：

式中：Mi為二級(jí)生物遷移的抗生素量；m為排除污水量；Cs為抗生物質(zhì)濃度。綜上所述，通過(guò)一級(jí)物化處理及二級(jí)生物處理，完成對(duì)城市污水處理廠中抗生素遷移化的研究。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章以城市污水處理廠為試點(diǎn)研究區(qū)域，開(kāi)展城市污水處理廠中抗生素的分布與遷移化研究，根據(jù)污水中不同抗生物質(zhì)的生存現(xiàn)狀，掌握其分布規(guī)律，以此緩解有機(jī)物質(zhì)對(duì)水體、對(duì)人體的不利影響。盡管文章提出的研究點(diǎn)具備一定實(shí)際研究依據(jù)，但此次研究受到時(shí)間的限制，僅以國(guó)內(nèi)外早期成果作為支撐，尚未開(kāi)展污水廠中抗生素檢測(cè)的研究。

因此，在后期的相關(guān)研究工作中，可將文章提出的論點(diǎn)作為參考，在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展抗生素消解過(guò)程的深入研究，并參照相關(guān)城市污水廠中抗生素的殘留現(xiàn)狀，對(duì)水體進(jìn)行定量平衡研究，揭示抗生素在污泥中或無(wú)氧條件下的分布，掌握此方面的規(guī)律，從而為研究?jī)艋w、改善生態(tài)環(huán)境的發(fā)展現(xiàn)狀提供理論支持。