趙聯(lián)芳, 譚少文, 張鵬英,黃太虎

(1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098;2. 河海大學環(huán)境學院,江蘇 南京 210098； 3. 中國人民解放軍理工大學，江蘇 南京 210007)

四環(huán)素類抗生素(tetracyclines,TCs)是一類廣譜性抗生素,被廣泛應用于人類和動物疾病的預防和治療。大量使用的抗生素通過各種途徑進入水環(huán)境,產(chǎn)生了潛在的環(huán)境污染及其生態(tài)毒理效應,近年來引起社會的廣泛關(guān)注[1-2]。傳統(tǒng)的污水處理方法在對抗生素類污染物的去除方面存在處理費用較高、管理復雜等問題,因此迫切需要研究其他高效、低耗和管理方便的TCs去除處理技術(shù)。

人工濕地建設和運行成本較低,并且對傳統(tǒng)污染物有很好的處理效果,目前已被廣泛運用于污水處理中。近年來,已有研究利用人工濕地處理含低濃度抗生素的廢水,其試驗結(jié)果表明濕地系統(tǒng)能夠有效減少抗生素含量[3-4]。目前關(guān)于人工濕地對抗生素去除效果的研究主要集中于濕地植物、水力停留時間[5]以及基質(zhì)[4]等各因素對抗生素去除效果的影響,而關(guān)于不同碳源對TCs去除效果的影響研究較少。

抗生素在水環(huán)境中的含量很低,分子結(jié)構(gòu)復雜而難以被微生物直接利用。污水處理中去除難生物降解有機物通常采用共代謝的方法,即向污水中補充簡單碳源以提高對復雜有機物的去除率[6]。目前用于有機藥物污水處理中的碳源包括牛奶[7]、葡萄糖和苯酚[8-9]等。研究表明,不同種類與濃度的碳源對難降解有機藥物的去除影響不同。因此,開展不同碳源對人工濕地系統(tǒng)TCs去除效果的影響研究具有一定的意義。本研究通過考察葡萄糖和乙酸鈉2種不同碳源在不同質(zhì)量濃度條件下對垂直流人工濕地去除土霉素(oxytetracycline,OTC)、四環(huán)素(tetracycline,TC)和金霉素(chlortetracycline,CTC)這3種TCs的影響,為實際工程中人工濕地去除TCs提供理論支持和借鑒。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗裝置

表1 實驗裝置的構(gòu)成

本實驗采用4組高為90 cm、直徑為18 cm的有機玻璃柱模擬垂直下向流人工濕地。濕地填料為均質(zhì)的碎石,粒徑約為4～8 mm,填充高度為80 cm,孔隙率為40%,濕地植物為香蒲(Typhaorientalis),植株種植密度約為200株/m2。為避免陽光直射并防止藻類大量生長,在有機玻璃柱外噴有一層黑色油漆。4組實驗裝置的構(gòu)成見表1。其中,S1以葡糖糖為碳源,S2以乙酸鈉為碳源,用以比較分析2種碳源在不同COD質(zhì)量濃度條件下對TCs去除效果的影響;S3以葡萄糖為碳源,控制COD質(zhì)量濃度為50 mg/L，以模擬低濃度碳源條件為空白對照組1;S4以葡萄糖為碳源,不添加四環(huán)素類抗生素為空白對照組2,與S1比較分析進水中抗生素對常規(guī)水質(zhì)去除效果的影響。

人工濕地裝置于2014年12月搭建,2015年2—3月開始馴化,期間用較高濃度的配水對濕地裝置進行馴化,并通過配水中加入一定量的活性污泥來接種微生物,同時種植的香蒲苗得以生長,一個月后出水中COD、TN、TP、DO以及pH趨于穩(wěn)定,裝置馴化完成,2015年4—6月為運行管理期。

1.2 實驗方法

實驗用水為人工配制,碳源為葡萄糖和乙酸鈉,質(zhì)量濃度根據(jù)實驗方案配制;參考養(yǎng)殖廢水水質(zhì)特點,TN和TP質(zhì)量濃度分別控制為50 mg/L和6 mg/L,TN由NH4Cl和NaNO3按1∶1比例配置,TP由KH2PO4·H2O配置,土霉素、四環(huán)素和金霉素的質(zhì)量濃度控制為600～800 μg/L,分別由分析純級別的抗生素藥品配制。

實驗采用間歇流進水方式,水力停留時間為2d,處理負荷為160 L/(m2·d)。實驗分為3個階段,第一階段由葡萄糖和乙酸鈉配制成ρ(COD)=200 mg/L,第二階段控制ρ(COD)=400 mg/L,第三階段ρ(COD)=600 mg/L,其余污染物進水濃度保持不變。每個階段持續(xù)1個月,試驗周期為3個月。每個階段待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后,取原水和進水后0.5 h、1 h、2 h、4 h、7 h、12 h、24 h、36 h和48 h的水樣進行測定。檢測指標包括土霉素、四環(huán)素和金霉素等3種抗生素和常規(guī)水質(zhì)指標COD、TN和TP的質(zhì)量濃度。

1.3 水質(zhì)指標測定方法

測定的水質(zhì)指標包括:COD、TN、TP、土霉素、四環(huán)素和金霉素。COD、TN和TP采用國家標準監(jiān)測方法[10],分別為快速消解分光光度法、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法和鉬酸銨分光光度法。土霉素、四環(huán)素和金霉素的質(zhì)量濃度采用帶有紫外線檢測器的日本島津LC-2010高效液相色譜儀進行監(jiān)測,其中流動相為0.01 mol/L磷酸二氫鉀(用磷酸調(diào)節(jié)PH至3左右)∶乙腈=76∶24,流速為0.8 ml/L,檢測波長為355 nm。經(jīng)檢測,土霉素、四環(huán)素和金霉素的出峰時間分別為3.30 min、3.80 min和5.66 min。3種四環(huán)素類抗生素(TCs)(土霉素(OTC)、四環(huán)素(TC)、金霉素(CTC))標準品由德國Dr. Ehrenstorfer出品,乙腈(Fisher公司)為色譜純,抗生素測試樣品以及其他試劑均采用分析純級。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同碳源對TCs去除效果的影響

通過對比空白組1,葡萄糖濕地系統(tǒng)和乙酸鈉濕地系統(tǒng)在進水COD質(zhì)量濃度分別為200 mg/L、400 mg/L和600 mg/L的條件下3種TCs的去除率,分析不同碳源對TCs去除效果的影響,結(jié)果見圖1。

注：COD200表示ρ(COD)=200 mg/L,其他類推。圖1 不同碳源對四環(huán)素類抗生素(TCs)的去除效果

由圖1可以看出空白組1ρ(COD)=50 mg/L對TC、OTC和CTC的去除率分別為70.85%、72.43%和73.84%,而補充了葡萄糖和乙酸鈉2種碳源的人工濕地系統(tǒng)TCs的去除率均有顯著提高，并且隨補充碳源量的增加而呈現(xiàn)上升的趨勢,在COD質(zhì)量濃度為600 mg/L時對TC、OTC和CTC的去除率都達到最高,其中葡萄糖濕地系統(tǒng)的去除率分別為97.74%、98.3%和98.44%,乙酸鈉濕地系統(tǒng)的去除率分別為98.54%、98.15%和98.25%。

用SPSS軟件進行顯著性分析,結(jié)果表明2種碳源類型對濕地系統(tǒng)去除TCs的效果差異不顯著(p>0.1),但碳源濃度對TCs去除效果有顯著的影響(p<0.05)，與Shi等[11]研究中碳源濃度對TCs生物降解率影響的結(jié)論一致。

2.2 不同碳源對TCs去除過程的影響

為了明確補充的碳源對人工濕地去除TCs過程的深入了解,在系統(tǒng)運行穩(wěn)定后測定TCs在48 h內(nèi)的質(zhì)量濃度變化過程。由于試驗中3種TCs的質(zhì)量濃度隨時間的變化過程相似,分析中選取四環(huán)素(TC)為代表,結(jié)果見圖2。

注：COD200表示ρ(COD)=200 mg/L,其他類推。圖2 不同碳源條件下四環(huán)素(TC)的去除過程

圖2顯示，S1和S2中TC隨時間的變化過程均呈現(xiàn)出2個明顯不同的階段:快速下降階段(Ⅰ)和緩慢下降階段(Ⅱ)。

第一階段為快速下降階段(Ⅰ),在2 h內(nèi),系統(tǒng)S1、S2組在碳源投加量分別為200、400和600 mg/L的條件下對TC去除率分別為58.07%、61.35%和61.81%,S1和S2對TC的去除率均達到60%左右,碳源種類和碳源濃度沒有顯著區(qū)別?？瞻捉M1(S3)對TC的去除率為60%。根據(jù)已有的研究結(jié)果,TCs易被土壤、海洋沉積物以及一些礦物質(zhì)快速吸附[12-13],最近的研究也證明濕地系統(tǒng)中基質(zhì)對TC有明顯的吸附作用[4],認為第一階段濕地系統(tǒng)對TC的快速去除主要由于吸附的作用。

2～24 h為緩慢下降階段(Ⅱ),TC在S1和S2中表現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢,較S3對TC的去除率有很大的提高,且碳源的質(zhì)量濃度越高，TC的去除效果越好,當COD質(zhì)量濃度為200、400和600 mg/L時,對TC的去除率可分別提高10%、18%和22%左右。分析認為,本實驗中TCs質(zhì)量濃度非常低(600～800 μg/L)且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定復雜,使得微生物不能直接利用其作為生長所需的營養(yǎng)物質(zhì);而第一階段濕地基質(zhì)對TCs的吸附起到一定的富集作用,外加的葡萄糖和乙酸鈉均為微生物易利用的碳源,在微生物利用簡單外加碳源作為營養(yǎng)物質(zhì)的同時對TCs進行轉(zhuǎn)化和降解,即發(fā)生了共代謝作用。TC在濕地系統(tǒng)中表現(xiàn)為質(zhì)量濃度持續(xù)下降,且隨葡萄糖和乙酸鈉碳源質(zhì)量濃度的升高而有更好的去除效果。

因此,垂直流人工濕地對TCs的去除過程包括2個階段:首先發(fā)生基質(zhì)的快速吸附,進行微量TCs的富集,隨后在外加碳源的條件下微生物發(fā)生共代謝作用,從而對TCs進行轉(zhuǎn)化和降解。本試驗結(jié)果表明,水力停留時間控制在24 h內(nèi),外加碳源可有效提高TCs的去除效果。

2.3 不同碳源及TCs對常規(guī)水質(zhì)凈化效率的影響

為進一步了解進水中有機碳源和TCs對人工濕地去除常規(guī)污染物效果的影響,對比S1和空白組2(S4)系統(tǒng)的COD、TN、TP出水濃度和去除率的變化見圖3。由圖3可以發(fā)現(xiàn),S1和S4系統(tǒng)出水中各污染物濃度和去除效率沒有顯著的差異,說明在本試驗條件下,人工濕地系統(tǒng)在短時間段內(nèi)處理TCs的廢水時對常規(guī)污染物質(zhì)的去除沒有顯著的影響。

圖3 TCs對常規(guī)污染物去除的影響

另外,由圖3可以看出,進水中COD質(zhì)量濃度的變化對系統(tǒng)出水中COD、TN的濃度影響顯著。系統(tǒng)出水COD質(zhì)量濃度隨進水濃度的升高而呈現(xiàn)升高的趨勢,在進水COD質(zhì)量濃度上升為600 mg/L時，前一周出水有波動,但是適應后出水濃度降至30 mg/L左右。說明垂直流人工濕地系統(tǒng)具有較強的抗有機物沖擊能力,為提高TCs去除率適當補充碳源不會造成出水有機物濃度升高。

隨著COD的質(zhì)量濃度由200 mg/L增加到400 mg/L時,S1和S4濕地系統(tǒng)中TN的去除率由76%提高到90%,但當COD質(zhì)量濃度為600 mg/L時，TN的去除率又降為78%。由于人工濕地系統(tǒng)對TN的去除是微生物硝化-反硝化作用的結(jié)果,當外加碳源使得進水C/N由4上升為8時,促進了反硝化過程的發(fā)生,從而提高了TN的去除率。但當碳源濃度過高,COD質(zhì)量濃度上升為600 mg/L(C/N>10)時,由于高濃度有機物降解需要消耗大量溶解氧,對硝化過程有一定的抑制作用[14],所以TN的去除率表現(xiàn)出下降的現(xiàn)象。實驗過程中2個濕地系統(tǒng)TP的去除率一直維持在80%左右,這與TP的去除主要和基質(zhì)的吸附以及植物的吸收有關(guān)[15-16],而與微生物的關(guān)系不明顯。

3 結(jié) 論

a. 向進水中添加葡萄糖和乙酸鈉這兩種碳源,均可有效提高TCs的去除率,在試驗條件下,較空白對照組可以提高20%以上。并且,在相同碳源條件下隨著COD質(zhì)量濃度的升高,TCs的去除率越高;當COD質(zhì)量濃度大于400 mg/L時,所有的TCs去除率都大于90%,且在前24h內(nèi)基本被完全去除。

b. 垂直流人工濕地系統(tǒng)對TCs有很好的去除效果,其對TCs的去除過程是分階段進行的:先是基質(zhì)的快速吸附,然后是微生物對吸附在基質(zhì)表面的TCs緩慢的共代謝降解。補充的有機碳源,主要用于提高后一階段的去除效率。

c. 在本試驗條件下,垂直流人工濕地在短時間內(nèi)接受四環(huán)素類抗生素的廢水時對常規(guī)水質(zhì)的去除沒有顯著的影響。為提高人工濕地對TCs的去除效率而適當補充有機碳源不會引起出水水質(zhì)的惡化。

[1] XU Huang, LIU Chaoxiang, LI Ke, et al. Occurrence and distribution of veterinary antibiotics and tetracycline resistance genes in farmland soils around swine feedlots in Fujian Province, China [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2013, 20(12): 9066-9074.

[2] ZHANG Qianqian, YING Guangguo, PAN Changgui, et al. Comprehensive evaluation of antibiotics emission and fate in the river basins of China: source analysis, multimedia modeling, and linkage to bacterial resistance [J]. Environmental Science and Technology, 2015, 49: 6772-6782.

[3] XU Huang, LIU Chaoxiang, LI Ke, et al. Performance of vertical up-flow constructed wetlands on swine wastewater containing tetracyclines and tet genes [J]. Water Research, 2015,70:109-117.

[4] LIU Lin, LIU Yuhong, WANG Zhen, et al. Behavior of tetracycline and sulfamethazine with corresponding resistance genes from swine wastewater in pilot-scaleconstructed wetlands [J]. Journal of Hazardous Materials, 2014, 278: 304-310.

[5] 黃翔峰, 王坤, 陳國鑫, 等. 人工濕地對水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水典型污染物的去除 [J]. 環(huán)境工程學報, 2016, 10(1): 12-20. (HUANG Xiangfeng, WANG Kun, CHEN Guoxin, et al. Typical pollutants removal efficiency from aquaculture wastewater by using constructed wetlands [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2016, 10(1): 12-20.(in Chinese))

[6] TRAN N H, URASE T, NGO H H, et al. Insight into metabolic and cometabolic activities of autotrophic and heterotrophic microorganisms in the biodegradation of emerging trace organic contaminants [J]. Bioresource Technology, 2013, 146:721-31.

[7] QUINTANA J B, WEISS S, REEMTSMA T. Pathways and metabolites of microbial degradation of selected acidic pharmaceutical and their occurrence in municipal wastewater treated by a membrane bioreactor [J]. Water Research, 2005, 39: 2654-2664.

[8] WOJCIESZYNSKA D, DOMARADZKA D, GUZIK U, et al. Bacterial degradation of naproxen-Undisclosed pollutant in the environment [J]. Journal of Environmental Management, 2014, 145:157-161.

[9] TOBAJAS M, MONSALVO V M, MOHEDANO A F, et al. Enhancement of cometabolic biodegradation of 4-chlorophenol induced with phenol and glucose as carbon sources by comamonas testosterone [J]. Journal of Environmental Management, 2012, 95: 116-121.

[10] 國家環(huán)境保護總局水和廢水監(jiān)測分析方法編委會. 水和廢水監(jiān)測分析方法 [M]. 4版. 北京:中國環(huán)境科學出版社, 2002.

[11] SHI Yijing, WANG Xinhua, QI Zhen, et al. Sorption and biodegradation of tetracycline by nitrifying granules and the toxicity of tetracycline on granules [J]. Journal of Hazardous Materials, 2011, 191: 103-109.

[12] WAN Ying, BAO Yanyu, ZHOU Qixing. Simultaneous adsorption and desorption of cadmium and tetracycline on cinnamon soil [J]. Chemosphere, 2010, 80(7): 807-812.

[13] XU Xiangrong, LI Xiaoyan. Sorption and desorption of antibiotic tetracycline on marine sediments [J]. Chemosphere, 2010, 78(4): 430-436.

[14] 趙聯(lián)芳, 朱偉, 趙建. 人工濕地處理低碳氮比污染河水時的脫氮機理 [J]. 環(huán)境科學學報, 2006, 26(11): 1821-1827. (ZHAO Lianfang, ZHU Wei, ZHAO Jian. Nitrogen removal mechanism in constructed wetland used for treating polluted river water with lower ratio of carbon to nitrogen [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2006, 26(11): 1821-1827. (in Chinese))

[15] 吳丹, 繆愛軍, 李麗, 等. 表面流人工濕地不同植物及其組合凈化污水處理廠尾水研究 [J]. 水資源保護, 2015, 31(6): 115-121. (WU Dan, MIAO Aijun, LI Li, et al. Research on different Plants in surface flow constructed wetlands and their combination effects on purification of tail water from sewage treatment plant [J]. Water Resources Protection, 2015, 31(6): 115-121. (in Chinese))

[16] 李春華，王蔚卿，倪利曉，等.人工曝氣對垂直潛流人工濕地運行效率的影響[J].河海大學學報(自然學科版)，2011，39(3)：259-263.(LI Chunhua,WANG Weiqing,NI Lixiao,et al.Influences of artificial aeration on performance of vertical-flow constructed wetlands[J].Journal of Hohai University(Natural Sciences),2011，39(3)：259-263.(in Chinese))