葉 輝
(上海城市水資源開發(fā)利用國家工程中心有限公司,上海 200082)
藥物和個(gè)人護(hù)理用品(pharmaceutical and personal care products,PPCPs),如抗生素、止痛藥、香料、護(hù)膚品、殺蟲劑等,是在精細(xì)化工和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展后被人類廣泛使用的化學(xué)物質(zhì)[1-2]。PPCPs在被生產(chǎn)、使用后通過生活污水、制藥和醫(yī)療廢水、農(nóng)牧漁養(yǎng)殖廢水等途徑進(jìn)入自然水體,再從地表水體取水生產(chǎn)自來水的過程進(jìn)入飲用水系統(tǒng)[3]。
抗生素作為一種典型PPCPs,是頗受關(guān)注的一類污染物質(zhì),目前研究顯示,我國主要流域均有抗生素檢出,檢出限為ng/L~μg/L,且檢出最多的抗生素是四環(huán)素類和磺胺類抗生素,其中部分抗生素檢出質(zhì)量濃度達(dá)到μg/L級別的流域有珠江、清河、渤海灣、九龍江和維多利亞港,皆為經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)且人口密集地區(qū)[4-5]。水環(huán)境中長期存在抗生素能衍生出抗性細(xì)菌(ARB)和抗性基因(ARGs),經(jīng)由飲用水進(jìn)入人體引發(fā)抗藥性,長期危害性較大[6-8]。近年來我國多地報(bào)道了飲用水及水源檢出抗生素。王若男等[9]報(bào)道了沱江流域飲用水源地35種抗生素被廣泛檢出,在春季、夏季、秋季、冬季的質(zhì)量濃度分別為n.d.~114.696、n.d.~536.322、n.d.~69.488、n.d.~90.461 ng/L(n.d.表示未檢出)。雷雨洋等[10]報(bào)道了舟山地區(qū)飲用水源中抗生素質(zhì)量濃度達(dá)到55 ng/L。許紅睿等[11]分別檢測了蘇州市水源水、出廠水和末梢水中17種PPCPs的污染殘留濃度,結(jié)果大部分都低于檢出限,避蚊胺、咖啡因和卡馬西平在水源水中均有檢出,末梢水中檢出了避蚊胺和咖啡因。武俊梅等[12]對長江中游典型飲用水水源中5類10種抗生素藥物進(jìn)行了檢測,80%的目標(biāo)藥物在飲用水水源中檢出,平均值在0.07~13.00 ng/L。
處理去除水中極低濃度的抗生素是水處理行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。常用的抗生素去除方法包括活性污泥法、吸附法、生物法、膜分離技術(shù)、化學(xué)氧化法等[13-14]?;瘜W(xué)氧化法通過氧化劑與抗生素反應(yīng)或是將抗生素轉(zhuǎn)化降解去除,該方法適用范圍廣,常用氧化劑有O3、KMnO4、H2O2等,O3氧化及聯(lián)合氧化技術(shù)研究報(bào)道較多。O3氧化工藝去除抗生素所需O3投加量較高,雖然目前多數(shù)自來水廠采用臭氧-生物活性炭(O3-BAC)深度處理工藝,但由于O3成本較高而投加量較低,不能完全去除水中抗生素。
UV光催化氧化工藝是飲用水處理研究較多的一種高級氧化工藝,尤其是UV/H2O2組合光催化氧化,能產(chǎn)生大量強(qiáng)氧化性·OH,能有效分解水中各類有機(jī)物,已有生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)例。在抗生素處理中UV/H2O2工藝具有獨(dú)特優(yōu)勢,僅需UV燈的能量和投加H2O2,工藝裝置相對簡單,能夠氧化分解大多數(shù)有機(jī)污染物[15],反應(yīng)條件溫和,具有較好的降解效果。本試驗(yàn)擬通過中試研究確定UV/H2O2工藝去除抗生素的效果和主要影響因素。
UV/H2O2高級氧化中試工藝流程如圖1所示。
圖1 UV/H2O2去除抗生素中試工藝流程
試驗(yàn)裝置進(jìn)水為砂濾池出水,通過增壓泵向反應(yīng)器供水。在進(jìn)水管路上安裝有流量計(jì)、濁度儀和UV透過率(UVT)測定儀。系統(tǒng)最大進(jìn)水量約為5 m3/h,用調(diào)節(jié)閥控制和調(diào)節(jié)進(jìn)水流量。進(jìn)水管路上分別設(shè)置抗生素和H2O2加注口,加注口后安裝管道混合器,抗生素和H2O2與進(jìn)水混勻后進(jìn)入U(xiǎn)V反應(yīng)器。反應(yīng)器安裝7只低壓UV燈(總功率為2.1 kW),還安裝有UV功率設(shè)置器、UV強(qiáng)度(UVI)測定儀和UV燈狀態(tài)監(jiān)測儀。UV反應(yīng)器前后各設(shè)置1個(gè)采樣口,整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)配置1臺控制柜。
根據(jù)對原水抗生素長期監(jiān)測的結(jié)果,試驗(yàn)篩選了四大類11種抗生素進(jìn)行試驗(yàn),詳細(xì)信息如表1所示。試驗(yàn)用11種抗生素試劑分別由SIGMA、中國計(jì)量科學(xué)研究院、國藥、沃凱等單位生產(chǎn),各試劑樣品純度在95%以上。
表1 試驗(yàn)用11種目標(biāo)抗生素試劑基本信息
試驗(yàn)期間將11種抗生素試劑按比例配制成溶液后,采用計(jì)量泵向試驗(yàn)系統(tǒng)投加。
本研究采用已建立的高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜分析法檢測試驗(yàn)樣品抗生素,分析用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用儀(UHPLC-MS/MS)配備UltiMate3000 BinaryRSLC超高效液相色譜儀(Thermo Fisher SCIENTIFIC)與TSQ-46000 FinniganTSQ Vantage System高分辨率、超小型臺式三重四級桿質(zhì)譜儀。試驗(yàn)采集1 000 mL待測樣品經(jīng)SPE固相萃取裝置(12位,美國Supelco公司)預(yù)處理后,樣品上機(jī)進(jìn)行抗生素濃度分析。
UV/H2O2高級氧化中試研究進(jìn)水為砂濾池出水。試驗(yàn)期間對進(jìn)水部分水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了檢測,結(jié)果如表2所示。
多個(gè)分類變量對GAD-7分析的結(jié)果,R2=0.738,F(xiàn)=2.417,P=0.032。說明這12項(xiàng)分類變量對GAD-7呈高度線性相關(guān),對焦慮有顯著的差異,具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。12項(xiàng)自變量中家庭經(jīng)濟(jì)狀況P=0.030,父親工作P=0.030,主要照顧者P=0.041。這3個(gè)分類變量對GAD-7的影響有顯著差異,具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。最優(yōu)尺度回歸分析模型見表2。
表2 中試進(jìn)水水質(zhì)
為確定水廠現(xiàn)有凈水工藝對抗生素去除效果,選取Y水廠常規(guī)和深度處理工藝2條生產(chǎn)線對抗生素去除情況進(jìn)行檢測。Y水廠常規(guī)工藝流程為:原水→預(yù)氯化→混凝→沉淀→砂濾→消毒→出廠水。常規(guī)工藝主要參數(shù)為:預(yù)氯化劑為0.8~1.4 mg/L次氯酸鈉;混凝劑為16~20 mg/L聚硫氯化鋁;氯消毒劑為1.0 mg/L次氯酸鈉。常規(guī)工藝采集原水、沉淀出水、濾后水和出廠水4個(gè)水樣。深度處理工藝是在常規(guī)工藝基礎(chǔ)上增加O3-BAC,具體的運(yùn)行參數(shù)為:混凝劑為16~20 mg/L的聚硫氯化鋁;后O3質(zhì)量濃度為1.0~2.0 mg/L;加氯消毒為1.0 mg/L次氯酸鈉。深度處理工藝采集原水、沉淀出水、砂濾后水、O3氧化出水、炭池出水和出廠水6個(gè)水樣。常規(guī)工藝和深度處理工藝抗生素去除效果分別如圖2和圖3所示。
圖2 Y水廠現(xiàn)有常規(guī)工藝對目標(biāo)抗生素去除效果
圖3 Y水廠深度處理工藝對目標(biāo)抗生素去除效果
由圖2可知,Y水廠過程水檢出7種抗生素,質(zhì)量濃度為n.d.~446.3 ng/L,其中,ROX、SMX、TC檢出濃度較高,平均質(zhì)量濃度分別為194.8、69.4、36.2 ng/L。常規(guī)工藝對抗生素的去除效率不高,ROX去除率僅為4.1%,而SMX、TC反而有所增加,這可能是因?yàn)槠浯x產(chǎn)物反應(yīng)重新生成了母體。出水中有較高濃度殘留,具有進(jìn)入人體的風(fēng)險(xiǎn)。
由圖3可知,O3-BAC深度處理工藝與常規(guī)處理工藝相比,TC出水抗生素含量明顯降低,常規(guī)處理出水TC質(zhì)量濃度為131.0 ng/L,深度處理為30.6 ng/L;深度處理對ROX去除率提高至41.1%;和常規(guī)處理相似,深度處理出水SMX濃度也有所增加。
在紫外光強(qiáng)度為1 400 mJ/cm2、H2O2質(zhì)量濃度為3 mg/L條件,試驗(yàn)分析了UV/H2O2高級氧化工藝對目標(biāo)抗生素的去除效果,結(jié)果如圖4所示。
圖4 UV/H2O2工藝對11種目標(biāo)抗生素的去除率
由圖4可知,磺胺類去除率為61.69%~98.34%,四環(huán)素類去除率為58.89%~78.57%,大環(huán)內(nèi)酯類去除率為60.12%,酰胺醇類去除率為84.93%。與前述水廠常規(guī)和深度處理工藝比較,UV/H2O2高級氧化去除率明顯提高。水廠常規(guī)和深度處理工藝中出水濃度高于進(jìn)水的SMX、TC去除率分別達(dá)到68.41%和75.46%,表明UV/H2O2高級氧化對目標(biāo)抗生素均有較好的去除效果。
為研究UV照射劑量對抗生素去除效果的影響,在H2O2投加量為3 mg/L、pH值=7、室溫條件下,通過適當(dāng)調(diào)整UV功率和進(jìn)水流量,使UV照射劑量分別為1 336、1 497 mJ/cm2和1 558 mJ/cm2,開展目標(biāo)抗生素的去除試驗(yàn),結(jié)果如圖5所示。
圖5 UV照射劑量對目標(biāo)抗生素去除率的影響
由圖5可知,隨著UV劑量增加,大多數(shù)抗生素去除率均有較大提升,而TMP和SCP去除率隨著UV劑量的增加而減少,這可能是由于其他物質(zhì)與SCP等產(chǎn)生了競爭反應(yīng)。SMZ去除效率普遍較高,為96.4%~99.3%。SDZ、OTC、TC、SMX、ROX、TAP、FF、CAP隨著UV強(qiáng)度增加去除率有較大提升,去除效率分別為32.9%~84.3%、44.7%~82.5%、39.0%~85.7%、39.2%~83.3%、18.5%~96.8%、32.4%~67.3%、54.2%~93.0%和40.7%~84.9%。
圖6為不同H2O2投加量對磺胺類抗生素、四環(huán)素類抗生素、大環(huán)內(nèi)酯類和酰胺醇類抗生素及抗生素總量去除效果。
圖6 H2O2投加量對目標(biāo)抗生素去除率的影響
由圖6可知,在抗生素總質(zhì)量濃度為1.5~4.0 mg/L、初始pH值為7.0下,在H2O2投加量為1.5、2.5、3.0、4.0 mg/L時(shí),對目標(biāo)抗生素有較好去除效果,四大類目標(biāo)抗生素去除率分別為41.22%~98.34%、49.62%~97.37%、56.69%~84.93%、60.12~77.54%。各種抗生素去除率并不總是隨H2O2投加量增加而升高,一方面可能是各種抗生素之間存在競爭性反應(yīng),另一方面可能是高濃度H2O2可能會導(dǎo)致·OH破壞。不同H2O2投加量對目標(biāo)抗生素總量平均去除率分別為68.63%、76.25%、76.81%和75.82%。
由H2O2利用效率(圖7)可知,在H2O2投加量為1.5 mg/L時(shí)最大,為63.7%,在H2O2投加量為4.0 mg/L時(shí)最小,為21.6%。在H2O2投加量為3.0 mg/L時(shí),對11種目標(biāo)抗生素的總量去除效率最高,為76.81%。因此,從H2O2利用率和抗生素去除率綜合考慮,H2O2最佳投加量為3.0 mg/L。
圖7 不同H2O2投加量時(shí)H2O2的利用效率
在不同pH溶液中,同一種氧化劑表現(xiàn)出的氧化還原電位會有較大差異。中試研究了在其他影響因素不變條件下,pH值為6、7和8時(shí),UV/H2O2對目標(biāo)抗生素的去除效果,結(jié)果如圖8所示。
圖8 不同pH值下目標(biāo)抗生素的去除率
如圖8所示,初始pH值為6、7、8時(shí),對抗生素平均去除效率分別為79.52%、74.14%、60.13%,11種目標(biāo)抗生素都在酸性條件下有較高去除率,隨著pH升高,去除效率逐漸降低。
(1)Y水廠過程水中共檢出7種抗生素,現(xiàn)有常規(guī)工藝對抗生素去除率偏低,深度處理工藝比常規(guī)工藝有所提高,但出水中仍有部分殘留,UV/H2O2高級氧化對目標(biāo)抗生素去除率明顯高于水廠現(xiàn)有常規(guī)和深度處理工藝。
(2)多數(shù)品種抗生素去除率隨UV照射劑量增加而明顯提高,建議UV照射劑量為1 400~1 500 mJ/cm2;抗生素去除率隨H2O2投加量增加略有提高,但幅度不大,且利用效率隨投加量增加顯著下降,最佳投加量為3.0 mg/L;偏酸性時(shí)目標(biāo)抗生素去除率明顯高于偏堿性。
(3)UV/H2O2高級氧化能有效去除大多數(shù)抗生素,提高飲用水安全性。在水源受抗生素污染情況下,該工藝具有較高實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。目前UV系統(tǒng)能耗偏高,高能量轉(zhuǎn)化效率UV燈開發(fā)將促進(jìn)該工藝在飲用水處理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。