石運剛，劉嘉烈，唐娜，馬艷，莊僖,*，李潔，鄭晶

1.重慶市固體廢物管理中心，重慶 400020

2.生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學研究所，國家環(huán)境保護環(huán)境污染健康風險評價重點實驗室，廣州510655

環(huán)境內分泌干擾物(endocrine disrupting compounds,EDCs)對人類健康和水生動物的健康都有重大威脅，因此EDCs的廣泛存在引起了人們的高度關注[1-2]。其中，壬基酚(4-NP)、辛基酚(4-t-OP)和雙酚A(bisphenol A,BPA)在水環(huán)境中具有相似的結構特征和環(huán)境行為，被歸為酚類環(huán)境雌激素(PEEs)[3]。PEEs廣泛應用于紡織印花、造紙、顏料合成、石油加工、塑料制造等輕工業(yè)和制造業(yè)，在個人護理產品和藥品中也能檢出，因此PEEs在生活中無處不在[4]。鄰苯二甲酸酯(PAEs)作為一類人工合成的EDCs，被廣泛用于提高塑料的柔韌性，在各種環(huán)境中，如大氣、水體和土壤樣品中均能檢測到PAEs的污染[5-6]。研究表明，PEEs和PAEs會引起各種健康問題，包括生殖毒性、出生缺陷、腫瘤的形成、激素水平的改變以及代謝紊亂等[7-8]。

PAEs屬于半揮發(fā)性有機化合物，且不與塑料產品鍵合，因此，在塑料的生產和使用過程中都可能有PAEs釋放進入周圍環(huán)境[9]。大多數PEEs的復合物在污水處理前或處理過程中，可以通過微生物過程迅速裂解為游離態(tài)的PEEs[10]。雖然污水處理廠污水中有機物含量明顯降低，但是在最終的出水中仍然廣泛檢測到PEEs[11-12]和PAEs[13-14]，表明污水處理廠的排水可能是環(huán)境中這些污染物的來源。另外，垃圾滲濾液是一種含高濃度酚類、PAEs類有機污染物的廢水，其中PAEs被列為垃圾滲濾液中的優(yōu)先污染物[15]。隨著城市地區(qū)的發(fā)展和工業(yè)的發(fā)展，國內PEEs和PAEs的使用量逐漸增加，其隨著生活污水或工業(yè)廢水排放，對周邊水環(huán)境的安全構成了潛在威脅。

目前關于PEEs和PAEs在水環(huán)境中的賦存和分布研究較多，然而針對這些污染物的來源和排放等相關研究較少。Gao等[16]研究發(fā)現(xiàn)，哈爾濱的污水處理廠進水中PAEs的檢出率為42%～100%，鄰苯二甲酸二(2-乙基)己酯(bis(2-ethylhexyl)phthalate,DEHP)和鄰苯二甲酸二丁酯(di-n-butyl phthalate,DnBP)濃度分別高達30.99 μg·L-1和24.46 μg·L-1，污水處理廠對部分PAEs的去除效果有限，意味著污水處理廠排放的廢水對其下游的水質有很大影響。重慶市作為中國西部地區(qū)唯一的直轄市，人口稠密，經濟社會的高速發(fā)展為長江水域環(huán)境帶來風險。最近針對重慶市水環(huán)境中PAEs和PEEs污染現(xiàn)狀的研究表明，水體中DnBP、鄰苯二甲酸二異丁酯(diisobutyl phthalate,DiBP)和DEHP均存在一定程度的潛在生態(tài)風險[17]，PEEs的主要污染物為4-t-OP、4-NP和BPA，平水期及蓄水期均有雌激素總活性高于1 ng·L-1的點位，提示具有高雌激素活性風險[18]。因此，研究重慶市典型污染源中PEEs和PAEs的排放特征具有重要意義。本研究選取了重慶市的3家垃圾處理廠(waste treatment plants,WTPs)和16家污水處理廠(包括5家生活污水處理廠(domestic sewage treatment plants,DSTPs)、6家工業(yè)污水處理廠(industrial sewage treatment plants,ISTPs)和5家混合污水處理廠(mixed sewage treatment plants,MSTPs))作為研究對象，檢測了進水和出水中3種PEEs和16種PAEs的濃度，并計算了出水中主要PEEs和PAEs的生態(tài)風險水平和雌激素活性效應，以評估其對環(huán)境的潛在危害。研究結果為了解重慶市污水處理廠和垃圾處理廠排放PEEs和PAEs的控制與管理提供數據基礎。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 試劑與耗材

3種PEEs標準品和內標(BPA-d16)純度均>98%，購自美國Supeloco公司和美國劍橋同位素公司(CIL)，16種PAEs標準溶液(純度>95%)和內標DMP-d4和DnOP-d4購自美國AccuStandard公司(表1)，甲醇、二氯甲烷和丙酮均為色譜純，購自上海安譜實驗科技股份有限公司。衍生化試劑(BSFFA-TMCS,99∶1)購自日本梯希愛公司，主要耗材有142 mm GF/F、70 mm GF/F濾膜(英國沃特曼公司)，HLB固相萃取柱(6 mL,500 mg)(美國Waters公司)，0.22 μm有機相針式濾膜(上海安譜實驗科技股份有限公司)。

表1 3種環(huán)境雌激素(EEs)和16種鄰苯二甲酸酯類(PAEs)目標化合物信息Table 1 General information of three environmental estrogens (EEs) and sixteen phthalate esters (PAEs)

1.2 樣品的采集與保存

在篩選生活污水處理廠和垃圾處理廠時，考慮了采樣位點的服務人口和服務區(qū)域，根據重慶市2018年統(tǒng)計年鑒[20]，在生活污水處理量達5 000萬t以上的區(qū)縣(江北區(qū)、南岸區(qū)和巴南區(qū)等)，以及城鎮(zhèn)居民達100萬人以上的區(qū)縣(江津區(qū)、合川區(qū)和涪陵區(qū)等)中篩選人口密集、生活垃圾或生活污水處理量大的集中式污水和垃圾處理設施。在篩選工業(yè)污水處理廠時，優(yōu)先考慮了工業(yè)企業(yè)分布密集和工業(yè)污水排放量大的大型工業(yè)園區(qū)污水處理廠。最終選擇了19個采樣位點(圖1)，其中垃圾處理廠的W1是垃圾焚燒廠，W2和W3為垃圾填埋場，W1的滲濾液樣品為垃圾焚燒前的滲瀝液。于2019年7月采集這些企業(yè)污水處理設施的進水和出水樣品，其中生活污水(domestic sewage,DS)和工業(yè)污水(industrial sewage,IS)經全規(guī)模污水處理廠處理，每個點位分別采集處理前廢水500 mL和處理后廢水1 000 mL各一份，垃圾處理廠的垃圾滲濾液經企業(yè)污水處理站處理，所有出水直接排入附近水環(huán)境中，每個點位分別采集處理前滲濾液50 mL和處理后廢水1 000 mL各一份。水樣用棕色玻璃瓶盛裝，樣品的長距離運輸過程中均低溫保存，在24 h內進行處理。各位點信息如表2所示，垃圾處理廠的滲濾液處理均采用了反滲透(reverse osmosis,RO)膜處理技術，污水處理廠普遍采用氧化溝(oxidation ditch,OD)、活性污泥法(activated sludge,AS)及厭氧-缺氧-好氧(anaerobic anoxic oxic,A2/O)的生物脫氮除磷工藝。

表2 本研究中垃圾處理廠(WTPs)和污水處理廠(STPs)的基本信息Table 2 Information of waste treatment plants (WTPs) and sewage treatment plants (STPs) surveyed in this study

圖1 采樣位點分布圖Fig. 1 Location map of sampling sites in Chongqing City

1.3 樣品前處理

水樣經玻璃纖維濾膜過濾后備用。濾膜剪碎后置于50 mL特氟龍管中，加入10 mL的V(甲醇)∶V(二氯甲烷)=1∶1萃取液后超聲20 min，取上清液至雞心瓶中，重復2次，混合的上清液經旋轉蒸發(fā)至1 mL后加入純水50 mL混勻，和水樣一起采用HLB固相萃取小柱萃取和凈化。HLB小柱預先分別用10 mL甲醇、10 mL二氯甲烷和10 mL超純水活化處理，控制樣品以5 mL·min-1的流速經過萃取小柱，整個過程始終保持液面高于小柱填料上端，用10 mL純凈水沖洗HLB柱，真空干燥30 min后，用2 mL甲醇洗脫HLB小柱3次，再用2 mL二氯甲烷洗脫3次，洗脫液接至具塞玻璃離心管，用緩慢的氮氣吹至近干，樣品重新溶解于1 mL丙酮中，過0.22 μm濾膜后貯存于棕色進樣瓶中，-20 ℃保存。樣品中PEEs分析采用衍生化的方式增強其在儀器中的響應值[21]，具體步驟為樣品在上機前取100 μL樣品氮吹至近干，加入100 μL BSTFA-TMCS于60 ℃水浴中反應60 min后進行。

1.4 儀器分析

使用Agilent 7890氣相色譜儀和Agilent 5975C質譜儀，HP-5MS毛細管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，內標法和多點校正曲線對目標化合物進行定量分析。以氦氣為載氣，流速1 mL·min-1，進樣口溫度260 ℃，傳輸線溫度為150 ℃，離子源溫度為230 ℃。選擇離子掃描(SIM)模式，不分流進樣，進樣量為1 μL。其中測定PAEs的升溫程序為：起始溫度70 ℃，以15 ℃·min-1升至300 ℃，保持2 min。測定PEEs的升溫程序為：起始溫度70 ℃，保持1 min，以25 ℃·min-1升至190 ℃，以15 ℃·min-1升至300 ℃，保持4 min。

1.5 質量控制與質量保證

為保證實驗數據的可靠性和準確性，采用內標法對本研究的目標化合物(表1)進行測定，標準曲線范圍為5～1 000 μg· L-1，其線性相關系數(r2)>0.99。實驗過程設置了流程空白樣、溶劑空白樣、樣品平行樣和基質加標樣進行質量控制，平行樣品相對標準偏差(relative standard deviation,RSD)<20%。方法檢出限(method detection limit,MDL)定義為空白樣品中目標化合物的均值加上3倍標準偏差；當目標物在空白樣品中沒有檢出時，則以10倍信噪比計算。PEEs的基質加標回收率為70%～110%，方法檢測限為0.21～0.34 ng·L-1，PAEs的基質加標回收率為78%～123%，方法檢測限為0.12～0.68 μg·L-1。

1.6 生態(tài)風險評估

參考歐盟化學物質風險評價技術指導文件(technical guidance document,TGD)，對污染物生態(tài)風險的表征采用風險商(risk quotient,RQ)法，其計算為污染物的實測環(huán)境濃度(the measured environmental concentration,MEC)與表征該物質危害程度的預測無效應濃度(predicted no effect concentration,PNEC)之間的比值，即RQ=MEC/PNEC[22]。RQ>1表示該污染物對水環(huán)境中的生物存在潛在風險，其值越大潛在風險越高；RQ<1表明污染物的生態(tài)風險相對較低。

1.7 雌激素活性評估

采用各物質的雌二醇當量(estradiol equivalent quantity,EEQ)作為雌激素活性效應表征各物質對水生生物的內分泌干擾作用，計算方法為EEQ=EEF/MEC。式中：EEQ為各物質的雌二醇當量；MEC為各物質的環(huán)境暴露濃度測定值(ng·L-1)；EEF為各物質的雌二醇當量因子(estradiol equivalent factor,ng·L-1)。

TGD將引起雌激素內分泌干擾效應的EEQ標準定為1 ng·L-1，即水環(huán)境中EEQ>1 ng·L-1的物質即被認為可能通過破壞生物體的正常激素功能，對河流中的魚類等水生生物產生影響[23]。也有研究根據RQ值評估各位點出水的潛在雌激素風險，即各位點的EEQ值與雌二醇(estradiol,E2)的PNEC值的比值[24]，而E2在水中的PNEC值為1.0 ng·L-1。

2 結果與討論(Results and discussion)

2.1 污水/廢水處理廠進/出水PEEs和PAEs濃度水平

表3概述了在污水樣品中各種目標化合物的測量濃度。在進水樣本中檢測到所有PEEs和13種PAEs。BPA的檢測濃度最高，為272.97 μg·L-1。在出水樣本中檢測到所有PEEs和11種PAEs化合物，4-NP的檢測濃度最高，為6.47 μg·L-1。進/出水樣品中4-t-OP、4-NP、BPA、鄰苯二甲酸二甲酯(dimethyl phthalate,DMP)、鄰苯二甲酸二乙酯(diethyl phthalate,DEP)、DiBP、DEHP和DnBP的檢出率均>50%，表明這些污染物普遍存在于各類污水中。美國環(huán)境保護局(US EPA)優(yōu)先控制的6種PAEs (DMP、DEP、鄰苯二甲酸二丁酯(di-n-butyl phthalate,DnBP)、鄰苯二甲酸丁芐酯(butyl benzyl phthalate,BBzP)、DEHP、鄰苯二甲酸二正辛酯(di-n-octyl phthalate,DnOP))在污水樣品中除了DnOP其他PAEs均有檢出[25]。

表3 污水處理廠和垃圾處理廠污水中PEEs和PAEs濃度值Table 3 The concentrations of PEEs and PAEs in influent and effluent samples in STPs and WTPs

我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)中DnBP和DnOP濃度限值均為0.1 mg·L-1，本研究出水樣品濃度遠遠低于排放限值。進一步參考各國的水質標準，如我國《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)中規(guī)定了BPA、DEP、DnBP和DEHP的限值分別為10、300、3和8 μg·L-1，加拿大地表水水質標準中也規(guī)定了DnBP和DEHP的最高限值為19 μg·L-1和16 μg·L-1[26]，英國地表水環(huán)境質量標準規(guī)定了4-NP、DMP和DEHP的最高限值為2、20和1.3 μg·L-1[27]，美國的水質基準中4-NP的規(guī)定限值為28 μg·L-1[28]。本研究出水樣品的檢出濃度除了4-NP超出了英國地表水環(huán)境質量標準，其他均無超標，考慮到污水排入水環(huán)境中的稀釋作用，本研究出水樣品的檢出濃度均低于標準限值。Gao等[29]總結了近10年以來國內外污水處理廠中PAEs的濃度水平，發(fā)現(xiàn)中國各地的污水處理廠污水中PAEs的含量沒有顯著差異，而且與歐洲、美國、加拿大和澳大利亞等地區(qū)的研究結果相似，其報告值一般低于100 μg·L-1，除了芬蘭和荷蘭，其污水中PAEs的含量超過100 μg·L-1。

圖2顯示了4種污染源進出水中PEEs和PAEs的濃度變化，流域的濃度數據來自筆者課題組于2018年7月采集的重慶市長江流域地表水樣品，其中長江段采自入境斷面朱沱至國控斷面蘇家共8個采樣點，嘉陵江段采自入境斷面金子至國控斷面大溪溝共4個采樣點[17-21]，為本研究中污水/廢水處理廠排水的受納水體。由圖2可知，對于污染源進水，垃圾滲濾液中PEEs和PAEs的總濃度最高(分別為11.07～278.41 μg·L-1和25.83～97.17 μg·L-1)，其次為涉生活污水處理的點位進水，工業(yè)污水處理廠的進水最低(分別為0.04～13.97 μg·L-1和0.14～4.69 μg·L-1)。DEHP是生活垃圾中最常見的PAEs類污染物，而DnBP和DEP是個人護理產品中最常用的PAEs類污染物[30]，結合本研究結果推測，生活源是PEEs和PAEs的重要污染來源之一。

圖2 垃圾處理廠、污水處理廠和流域樣品中PEEs和PAEs的總濃度水平注：WTPs表示垃圾處理廠；DSTPs表示生活污水處理廠；ISTPs表示工業(yè)污水處理廠；MSTPs表示混合污水處理廠。Fig.2 Total concentration of PEEs and PAEs in the WTPs,STPs and river samplesNote:WTPs stands for waste treatment plants;DSTPs stands for domestic sewage treatment plants;ISTPs stands for industrial sewage treatment plants;MSTPs stands for mixed sewage treatment plants.

對于污染源出水，4種污染源出水中PEEs和PAEs的濃度相當，與流域地表水的檢出濃度相比，污染源的PEEs總濃度(分別為0.05～8.96 μg·L-1)稍高于流域地表水(長江段和嘉陵江段分別為0.05～4.70 μg·L-1和0.18～2.15 μg·L-1)。流域地表水的PAEs總濃度(長江段和嘉陵江段分別為10.29～81.83 μg·L-1和6.18～17.84 μg·L-1)則是顯著高于污染源(平均值為1.37～4.19 μg·L-1)。課題組前期研究結果顯示，重慶市流域水體中PAEs的濃度與黃河中下游水體和長江武漢段等水體的結果相當，在重慶市入境斷面朱沱和金子PAEs的濃度分別為10.29 μg·L-1和17.52 μg·L-1，可見流域水體中PAEs的本底值較高[17]。PAEs具有較高的疏水性，其隨著生產使用釋放進入水體后傾向于被水中的懸浮有機質吸附，進而在沉積物中富集[31]。因此，即使污染源中PAEs濃度較低，但隨著污水的持續(xù)性排放，PAEs在沉積物長期儲存，也會導致其再次懸浮釋放。

對進水中檢出率>50%的EDCs化合物進行Spearman相關性分析(表4)，進水中4-NP、4-t-OP和DEP之間的含量分別存在顯著的相關性，DiBP除了與BPA、DnBP之間的含量顯著相關以外，同時與4-t-OP、DMP、DEP和DEHP的含量也顯著相關。結果顯示，不同的PEEs和PAEs之間的含量顯著相關，表明污水中這些EDCs的來源高度相關。對不同類型來源的進水中檢出率>50%的EDCs化合物進行差異性分析，只有DEP和DnBP這2種污染物濃度具有顯著性差異，即垃圾滲濾液中DEP濃度顯著高于工業(yè)污水(P<0.01)，DBP濃度顯著高于工業(yè)污水(P<0.01)和混合污水(P<0.05)，生活污水中DEP濃度顯著高于工業(yè)污水(P<0.05)。Qi等[32]對1996年以來我國垃圾滲濾液中常見污染物的研究進行了綜述，發(fā)現(xiàn)垃圾滲濾液中污染物濃度一般比污水處理廠的進水高出幾個數量級，且不同垃圾滲濾液中污染物濃度范圍差異很大，如BPA含量可從低于檢測限到高達4 500 mg·L-1，與本研究結果相符。

表4 進水中不同內分泌干擾物(EDCs)(檢出率>50%)之間的相關性Table 4 Spearman’s correlation data between endocrine disrupting compounds (EDCs) (detection rate>50%) in influent samples

2.2 污水/廢水處理廠進/出水PEEs和PAEs組成特征變化

由圖2可知，各類污染源的處理設施對PEEs和PAEs均有一定的去除效果，其中4-t-OP和DNP的平均去除率達到88%和95%。本研究進一步探究了不同污水處理工藝對PEEs和PAEs的去除效果，如圖3所示，垃圾滲濾液的處理均采用了膜分離技術，除了對DnBP的平均去除率為69%以外，對其余PEEs和PAEs的平均去除率均達到80%以上，是去除效果最好的一種污水處理工藝。A2/O法對DEHP和DMP的平均去除率較低，分別為3.8%和25.4%，活性污泥和氧化溝技術對PEEs和PAEs的去除最低，除了BBzP和DNP，其他污染物均出現(xiàn)出水濃度高于進水濃度的情況。PAEs可以在不同條件下被微生物降解[33]，但是長鏈PAEs的生物降解是一個耗時很長的過程[34]，因此以生物降解方式對PAEs類污染物的去除效率可能較其他污水處理工藝低，Wu等[35]研究指出，偶爾的負去除值可能是由于PAEs的前體進一步降解引起的。針對負去除率的現(xiàn)象，還需進一步分析污水處理全過程及各種污染物載體中目標物的含量。以往研究表明，由于傳統(tǒng)污水處理裝置并沒有專門設計去除這些ECDs，其去除率較低[36]，如傳統(tǒng)活性污泥法不能去除大部分有毒有機污染物[37-38]。而目前污水處理裝置采用了先進的處理技術，如膜生物反應器(membrane bio-reactor,MBR)[39]、活性炭吸附[40]或其他新型吸附劑[41]技術等，可以去除污水中的大部分有機污染物，與本研究結果相符。

污染物在污水處理過程中的生物降解受到污泥的解吸和微生物活動的影響，最終的濃度取決于這2個過程之間的平衡[42-43]。PAEs的去除率較低可能原因是它們疏水性相對較高，在污泥上的吸附趨勢相對較高而減少了生物降解的作用。BBzP和DNP去除率較其余PAEs高，可能是其相對圖3中其余5種PAEs的檢出率較低，檢出濃度低1～2個數量級，更容易去除。大多數雌激素復合物在污水處理前或處理過程中會通過微生物過程裂解為游離單體[10]，如未處理污水的或處理過程中的4-NP可能是其前體壬基酚聚氧乙烯醚(nonylphenol polyethylene glycol ether,NPEOs)通過微生物分解產生的[44]。

圖3 不同污水處理工藝對PEEs和PAEs的去除效果Fig. 3 Removal efficiencies of various treatment processes for PEEs and PAEs

2.3 生態(tài)風險水平和雌激素活性效應評估

對出水中檢出率>50%的8種EDCs化合物，通過RQ值和EEQ值分別評估了4種污染源出水的潛在生態(tài)風險水平和雌激素活性效應。如圖4所示，出水中生態(tài)風險和雌激素活性最高的化合物均為4-NP，垃圾處理廠W1、生活污水處理廠D1和D4以及工業(yè)污水處理廠I3的出水中4-NP的RQ值和EEQ值均超過1.0，表明這些位點出水中的4-NP對水環(huán)境中的生物存在潛在風險，可能會破壞生物體的正常激素功能。DMP和DEP在4種污染源出水中的RQ值和EEQ值較低，表明其對水環(huán)境中生物的影響較小。然而廢水排入流域后發(fā)生的稀釋效應將會導致污染物濃度的減少，本研究只能推測這些污水中的污染物的濃度是否足夠高，從而對這些污水受納河流中的水生生物產生影響，若評估污水釋放到水環(huán)境中所造成的實際風險，需進一步研究這些污染物稀釋后濃度是否會對水生生物造成危險。根據目前的研究結果，4-NP是各種污染源出水中生態(tài)風險商和雌激素活性的主要貢獻污染物，其可作為污染源排放監(jiān)測的關鍵EDCs類污染物，用于污染物排放治理和潛在風險預測。

圖4 各采樣位點出水中PEEs和PAEs的生態(tài)風險商值(RQ)和雌激素活性水平(EEQ)注：WTPs表示垃圾處理廠；DSTPs表示生活污水處理廠；ISTPs表示工業(yè)污水處理廠；MSTPs表示混合污水處理廠。Fig.4 Risk quotient (RQ) and estradiol equivalents (EEQ) contributed by PEEs and PAEs in effluent of different sample sitesNote:WTPs stands for waste treatment plants;DSTPs stands for domestic sewage treatment plants;ISTPs stands for industrial sewage treatment plants;MSTPs stands for mixed sewage treatment plants.

綜上所述，本研究表明：

(1) 在垃圾處理廠和各類污水處理廠的進出水中共檢測到3種PEEs和13種PAEs，其中垃圾滲濾液中PEEs和PAEs的總濃度最高，分別為11.07～278.41 μg·L-1和25.83～97.17 μg·L-1，工業(yè)污水處理廠的進水最低，分別為0.04～13.97 μg·L-1和0.14～4.69 μg·L-1，各類排放源的出水中PEEs和PAEs的濃度相當，分別為0.05～8.96 μg·L-1和1.37～4.19 μg·L-1，與國內其他地區(qū)的研究結果相當。

(2) 進水中不同的PEEs和PAEs之間的含量顯著相關，表明污水中這些EDCs的來源高度相關。各污染源對4-t-OP和DNP的平均去除率達到88%和95%，膜分離技術去除效果最好，活性污泥和氧化溝技術去除率較低。

(3) 4-NP是各種污染源出水中生態(tài)風險商和雌激素活性的主要貢獻污染物，表明其對水環(huán)境中的生物存在一定的潛在風險。