抗生素在环境中作为一种持久存在的新型污染物, 在地表水、地下水和饮用水的残留引起公众的广泛重视^{[1, 2]}.由于抗生素不能在污水处理厂中完全去除, 污水处理厂(WWTPs)成为药物进入到水体的一个重要来源^[3].

随着城镇化的快速推进, 我国小城镇的污水排放量也不断增加, 小城镇污水处理工艺一般设计规模小于5×10⁴ m³·d^-1.由于小城镇污水收集来源较复杂, 雨污不分, 且有较高浓度的工业废水、养殖废水以及生活污水混合排入, 导致水质和水量波动大、运行管理水平相差较大^[4].城市污水处理厂污水排放标准通常都执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准(以下简称一级A排放标准), 具有较完善的处理工艺, 包括一级处理、二级处理和深度处理, 从而抗生素在经过城市污水处理厂后, 通常检测出残留的浓度在ND~ng·L^-1的范围^[5~7].小城镇污水处理厂污水排放大都未能达到一级A排放标准, 而且对小城镇污水处理厂抗生素残留研究较少^{[8, 9]}.根据住建部的不完全统计^[10], 在全国小城镇污水处理厂工艺中, A²/O、氧化沟及CASS使用最多, 分别占33.69%、18.88%和10.51%, 本研究在冀西北地区小城镇选择上述3种典型工艺研究抗生素的分布和去除情况.

目前的分析方法中, 分析检测废水中抗生素的预处理主要采用固相萃取^{[11, 12]}, 检测方法主要使用液相色谱-质谱联用法^{[13, 14]}.在本研究中使用先前开发的抗生素快速分析方法^[15], 对16种典型抗生素进行分析, 包含四环素类、磺胺类、大环内酯类、β-内酰胺类以及喹诺酮类.首先对方法进行了验证, 然后选择3种工艺(CASS、A²/O及Orbal氧化沟)的6家污水处理厂的进出水水样进行了抗生素分析.对比研究了相同工艺和不同工艺抗生素的浓度分布、去除情况, 明确了小城镇典型污水处理厂工艺中抗生素种类和残留浓度, 并对不同工艺污水处理厂中抗生素的去除率进行对比, 以期为评价小城镇污水抗生素相关研究奠定基础.

本研究使用的甲醇、乙酸乙酯均为色谱纯, 购于美国Fisher公司; Na₂EDTA, 甲酸、盐酸均为分析纯, 纳氏试剂、酒石酸等药剂购于国药集团化学试剂有限公司, 超纯水由Milli-Q系统(Advantage A10, Millipore)制取.

Agilent 1260/6420型超高效液相色谱-质谱联用仪; 20位固相萃取装置(美国Waters公司); 固相萃取柱(Oasis HLB, 6cc/300 mg, 美国Waters公司); SE812型氮吹仪(北京帅恩科技有限责任公司); Sigma 2-16P高速离心机(Sigma公司); 便携式pH计(德国WTW公司); HLB固相萃取柱购自美国Waters公司.

样品于2017年3月10~15日, 对所研究的小城镇的6家污水处理厂(污水处理厂分布点见图 1)的进水和出水分别进行采样, 每天取1次样, 每次采样量为1 L, 共计3 d. 6个污水处理厂3 d的样品分别混合, 装入4 L棕色玻璃瓶中, 现场测定pH值并做好记录, 放在4℃冰箱中保存并24 h内带回实验室分析处理.

图 1

Fig. 1

图 1 6个小城镇污水处理厂的采集点分布示意 Fig. 1 Geographical distribution of the collection points for six typical wastewater treatment plants

6个污水处理厂分别处于不同的行政区域, W1、W3和W6厂靠近生活居住区, 主要处理生活污水, 有部分的工业废水排入, W2和W5厂不仅有生活污水, 还有大量的工业废水排入, W4厂周围有小规模的畜禽养殖厂. 6个污水处理厂的工艺包含CASS、A²/O及Orbal氧化沟工艺, 具体处理规模及服务人口见表 1.

表 1 (Table 1)

表 1 6个污水处理厂处理工艺、处理规模以及服务人口 Table 1 Treatment process, processing scale and service population table for six WWTPs 序号 污水处理工艺 处理规模/万m3·d-1 服务人口/万人 W1 CASS 2 6 W2 CASS 2 5 W3 A2/O 10 18 W4 A2/O 10 20 W5 Orbal氧化沟 4 7 W6 Orbal氧化沟 5 8.5

表 1 6个污水处理厂处理工艺、处理规模以及服务人口 Table 1 Treatment process, processing scale and service population table for six WWTPs

对采回的水样进行基本水质分析, 分析COD、氨氮(NH₄⁺-N)、硝态氮(NO₃^--N)、亚硝氮(NO₂^--N)以及总氮(TN), 分析方法使用常规水质分析方法^[16].

所选取的16种抗生素分别为：盐酸四环素(tetracyclines, TC, 97%)、4-差向四环素盐酸盐(4-epi-tetracycline Hydrochloride, E-TC, 99%)、土霉素(oxytetracycline, OTC, 97%)、4-差向土霉素(4-epi-oxytetracycline, E-OTC, 97%)、青霉素(penicillin, PCN, 99%)、氨苄西林(ampicillin, AMP, 99%)、头孢噻肟(cefotaxime sodium, CFX, 97%)、克拉霉素(clarithromycin, CLR, 99%)、罗红霉素(roxithromycin, ROX, 97%)、红霉素(erythromycin, EM, 98%)、磺胺嘧啶(sulfadiazine, SD, 97%)、磺胺甲嘧啶(sulfamerazine, SMN, 99%)、诺氟沙星(norfloxacin, NOR, 97%)、环丙沙星(ciprofloxacin, CIP, 97%)、恩诺沙星(enrofloxacin, ENR, 97%)、氧氟沙星(ofloxacin, OFX, 97%).共包含5大类抗生素四环素类(tetracyclines, TCs)、β-内酰胺类(β-lactam)、磺胺类(sulfonamides, SAs)和喹诺酮类(fluoroquinolones, FQs), 以上抗生素通过以前研究中开发的方法测定, 将200 mL水样通过用HLB小柱进行固相萃取提取和纯化, 每个样品分别做3个平行, 并通过超高效液相色谱和串联质谱法进行测定.

为了确保检测结果的准确性和可靠性, 方法的验证需要标准曲线, 检测极限(limit of detection, LOD), 定量限(limit of quantitation, LOQ)以及实际水样的回收率^[17], 所以本研究建立基质匹配曲线, 采用外标法对样品中抗生素进行定量分析, 确定实际水样的回收率.分别将浓度为1.0、5.0、10.0、50.0、100.0、250.0、500.0和1 000.0 μg·L^-1的8个混合标准品加入100 mL的污水中, 然后同时进行SPE过程.标准曲线基于标准曲线的相关性系数(R²)来评估, 每个分析物的LOD和LOQ定义是分别由最低浓度的3倍和10倍信噪比(S/N)产生^[18].所以LOD和LOQ是由分析加标后污水的分析所决定.固相萃取(solid phase extraction, SPE)回收率是通过检测加标污水和基质匹配标准品的峰面积的比值来确定.

6个污水处理厂对常规污染物的去除效果见表 2. W1~W3厂的NH₄⁺-N去除效率均能达到96%以上, Orbal氧化沟工艺的W4和W5的NH₄⁺-N去除率分别为93.28%和88.32%; 6个水厂的TN去除率, 除了W4, 其余的均能达到50%的去除效率; W1、W3、W5厂COD去除率较高, 均能达到86%以上, W4的COD去除率最低为54.35%, 除W4厂去除效率与He等^[19]研究城市污水处理厂的结果相似. 5个污水处理厂均能对常规污染物进行有效去除, 出水的NH₄⁺-N和COD浓度均可达到一级A排放标准. Zhang等^[20]研究我国70个城市的污水处理厂, 发现NH₄⁺-N的去除率均可达到80%以上, COD的去除率均达到88%以上, 说明5个小城镇污水处理厂的常规水质去除与城市污水处理厂的去除效果相似.

表 2 (Table 2)

表 2 6个污水处理厂的基本水质参数 Table 2 Basic water quality parameters of the six WWTPs 项目1) NO3--N/mg·L-1 NH4+-N/mg·L-1 NH4+-N去除率/% TN/mg·L-1 TN去除率/% COD/mg·L-1 COD去除率/% pH W1Inf 0. 00±0. 00 60. 50±0. 80 99.42 54.40±0. 16 56.07 275±0. 12 94.18 9.76 W1Eff 22.48±0. 24 0. 35±0. 77 23.90±0. 41 16±0. 19 8.00 W2Inf 0. 00±0. 00 15.34±0. 93 98.70 30. 08±0. 24 53.59 203±0. 56 90. 64 8.32 W2Eff 12.63±0. 99 0. 2±0. 26 13.96±0. 71 19±0. 30 8.16 W3Inf 0. 00±0. 00 68.75±0. 33 96.92 68.40±0. 54 55.92 206±0. 07 86.41 8.84 W3Eff 28.83±0. 04 2.12±0. 41 30. 15±0. 72 28±0. 16 8.68 W4Inf 0. 53±0. 19 33.75±0. 26 99.56 38.95±0. 14 0. 51 92±0. 31 54.35 8.21 W4Eff 38.80±0. 41 0. 15±0. 63 38.75±0. 22 42±0. 62 8.28 W5Inf 2.08±0. 13 83.00±0. 21 92.28 78.05±0. 20 71.79 370±0. 36 89.19 7.60 W5Eff 14.05±0. 14 6.41±0. 40 22.20±0. 35 40±0. 06 7.08 W6Inf 0. 33±0. 86 37.00±0. 40 88.32 34.00±0. 92 50. 44 89±0. 01 62.92 8.25 W6Eff 9.90±0. 32 4.32±0. 37 16.85±0. 46 33±0. 98 7.59 1)Inf:进出, Eff:出水

表 2 6个污水处理厂的基本水质参数 Table 2 Basic water quality parameters of the six WWTPs

分析方法验证的结果见表 3, 16种抗生素的相关性系数均R²≥0.99.根据此方法确定了16种抗生素的加标回收率范围为77.67%±0.83%~144.10%±1.11%.除E-TC、SD和SMN的回收率分别为79.82%、77.67%和78.76%以外大部分抗生素的回收率都在80%以上.

表 3 (Table 3)

表 3 16种抗生素的线性范围、回收率、相关系数和检出限 Table 3 Linearity ranges, recovery rate, correlation coefficients, and detection limits for the 16 antibiotics 化合物 线性范围/mg·L-1 相关系数(R2) 检出限LOD/μg·L-1 定量限LOQ/μg·L-1 回收率/% (标准偏差) RSD(n=3/%) TC 10~1 000 0.999 0.10 0.30 99.59(2.76) 2.77 E-TC 50~1 000 0.994 0.70 1.30 79.82(4.17) 5.22 OTC 5~1 000 0.999 0.30 1.00 92.58(4.81) 5.20 E-OTC 5~1 000 0.996 3.00 8.50 85.84(3.08) 3.59 PCN 10~1 000 0.990 1.00 3.00 130.15(8.03) 6.17 AMP 10~500 0.999 0.23 0.75 144.10(1.11) 0.77 CTX 5~1 000 0.990 0.5 1.50 92.96(2.38) 2.56 CLR 5~1 000 0.999 0.03 0.10 100.91(0.96) 0.95 TLY 5~1 000 0.990 0.15 0.40 95.00(1.79) 1.88 NERY 10~1 000 0.999 0.15 0.50 99.51(0.60) 0.60 NOR 10~1 000 0.997 0.40 1.30 98.01(3.19) 3.25 CIP 10~1 000 0.999 0.40 1.20 101.32(5.45) 5.38 ENR 5~1 000 0.990 0.30 0.10 91.53(5.15) 5.08 OFX 5~1 000 0.998 0.20 0.70 97.58(3.06) 3.02 SD 50~1 000 0.990 0.06 0.20 77.67(0.83) 0.82 SMN 50~1 000 0.990 0.30 0.90 78.76(4.58) 4.52

表 3 16种抗生素的线性范围、回收率、相关系数和检出限 Table 3 Linearity ranges, recovery rate, correlation coefficients, and detection limits for the 16 antibiotics

本研究6个污水处理厂中分别各选取了2个CASS、A²/O及Orbal氧化沟工艺作为对比.样品分析结果表明, 6个污水处理厂的进出水中所有目标分析物, 除SMN未检出, 其他均以ng·L^-1~μg·L^-1的水平存在.根据对抗生素的总浓度值进行分析, 发现W6>W5>W1>W3>W4>W2, 由于不同城镇的水质和水量相差较大, 从而抗生素的含量也有所不同, 存在较大的差异.由图 2看出OFX、NOR、ROX、TC、OTC、E-OTC和EM等均有检出, 且抗生素的种类都基本相似, 其中较明显地看出OFX和NOR在6个水厂中均有检出并且浓度最高, 这两种抗生素均属于FQs, 为主要污染抗生素.甘秀梅等^[21]在研究某污水处理厂中的抗生素残留时发现, NOR和OFX的进水浓度达到(203.01±16.10) ng·L^-1和(345.90±59.40) ng·L^-1, 为所研究污水处理厂中主要残留抗生素. Guo等^[22]在研究河流中抗生素时发现, FQs浓度最高, 检测出CIP和OFL的浓度且均来自污水处理厂的排放. FQs在生活污水中较为常见, 一般来说, 污水处理厂对FQs能够有效去除, 并且在水中的持久性相对较低^[23].本研究中OFX、NOR和ROX残留浓度高, 并且去除效果较好, 这个结果与Leung等^[24]的结果相似, 其在香港的7家城市污水处理厂检测出FQs(CFX和OFX)为主要的抗生素.

图 2

Fig. 2

Inf: 进水, Eff:出水, 下同 图 2 6个污水处理厂进出水抗生素的浓度总量 Fig. 2 Total concentration of antibiotics at the six WWTPs

所检出的其他抗生素种类与城市污水处理厂对比, 所含抗生素种类相似. CTX在W3中、PCN和AMP在W2中有检出, 但含量都很低, PCN、AMP和CTX都属于β-内酰胺类抗生素, 这可能是由于β-内酰胺类抗生素的化学性质不稳定, 此类化合物结构最不稳定, 容易与酸、碱以及重金属等作用时, 易发生水解和分子结构重排^[25].

污水处理厂中氨氮(NH₄⁺-N)、总氮(TN)、化学需氧量(COD)、pH等是监测水质的基本参数, 而且这些指标的高低也在影响着抗生素的浓度值^[26].对进出水中抗生素的含量和基本水质参数进行相关性分析发现, 在进水中[图 3(a)]W3和W6厂中四环素类抗生素(E-OTC、E-TC、TC)和大环内酯类(CLR、EM、ROX)浓度相对较高, W1和W5厂中SD、OTC、ENR、OFX浓度相对较高, 并且以上抗生素与水质的COD、TN、NH₄⁺-N、pH均呈正相关关系, 而β-内酰胺类抗生素与4种水质参数呈负相关关系, 小城镇污水处理厂的进水较复杂, 除人用抗生素外, 可能还存在一些周边养殖场使用的兽用抗生素. OTC和SD浓度较高, 并且养殖废水是高COD、NH₄⁺-N废水, 这两种抗生素和COD、NH₄⁺-N有较强的相关性.在出水中[图 3(b)]可以看出W1、W3、W5厂SD、OTC、ENR、NOR、OFX等都存在, 并且和COD、NH₄⁺-N均有较强的相关性, 这些抗生素随着污水处理厂的排水一起进入到环境中, 对环境造成了潜在耐药性威胁.

图 3

Fig. 3

图 3 污水处理厂进水和出水的基本水质参数与抗生素浓度的相关性 Fig. 3 Correlation analysis of basic water quality parameters and antibiotic concentration in the influent and effluent of the WWTPs

对比进出水后发现, 所有检出的抗生素除ROX外在W1出水中均有富集, 其余抗生素均有降解.其次除了W4的去除率为0.3%, 其余的去除率分别为W1是72.46%、W2是64.26%, W3是62.08%、W5是63.65%以及W6是74.71%, 去除效果较好, 而W4是由于污水厂运行状况出现问题, 由水质基本参数的去除(见表 2)也可以看出, 其COD和总氮的去除率很低, 导致了抗生素的去除效果差.由于W4厂存在问题, 所以排除W4将3种工艺进行对比, 对比发现, CASS工艺和Orbal氧化沟工艺对抗生素的去除率相对较高.

分别对比每种抗生素的去除率, 见表 4, 发现TCs的去除率较高, 尤其E-TC在6个污水处理均有检出, 而且相对比其他抗生素去除率均最高, 这可能是活性污泥对四环素类的吸附性强, 使水中的四环素类抗生素去除率效果提高^[27]. OFX和NOR是含量最高的抗生素, 除了W4厂运行状况出现问题, 其余污水处理厂对这两种抗生素的去除率均达到57.89%~94.70%. Li等^[28]的研究发现两种抗生素在城市污水处理厂中的去除率达到80%以上, 与本研究的结果相似, 说明小城镇典型的污水处理工艺对这两种常见的抗生素能够有效去除.

表 4 (Table 4)

表 4 抗生素在不同污水厂处理中的去除率/% Table 4 Removal rate of individual antibiotics in different WWTPs/% 项目 W1 W2 W3 W4 W5 W6 OTC 63.55 84.67 32.85 0.00 38.96 64.64 E-OTC 62.56 81.32 7.63 0.00 36.27 59.65 E-TC 100.00 88.85 100.00 100.00 59.47 100.00 TC 64.15 87.43 0.47 0.00 25.96 60.87 SD 24.69 32.59 0.00 0.00 59.51 71.71 SMN 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 ROX 0.00 50.04 88.19 39.70 58.80 25.89 ENR 57.85 58.69 0.00 0.00 33.98 0.00 EM 33.04 0.00 100.00 45.87 50.14 17.03 CLR 63.73 50.23 94.60 26.99 78.38 2.74 NOR 92.91 71.03 69.74 0.00 76.67 90.49 OFX 94.70 57.89 70.69 0.00 69.00 91.67 CIP 77.14 72.84 7.35 0.00 69.49 66.52 CFX 0.00 78.27 0.00 56.68 0.00 0.00 PCN 0.00 1.27 0.00 0.00 0.00 0.00 AMP 0.00 50.46 0.00 0.00 0.00 0.00

表 4 抗生素在不同污水厂处理中的去除率/% Table 4 Removal rate of individual antibiotics in different WWTPs/%

W2厂除SMN外对所有抗生素都能有效降解, W3厂对ETC、NOR、OFX、CLR、CIP、OTC、ROX、EOTC、EM均能有效去除. β-内酰胺类抗生素(CFX、AMP、PCN)在W2厂和W4厂中有检出, 去除率在0%~79%, 相对比Li等^[29]研究城市污水处理厂活性污泥法对CFX和AMP的去除率分别可以达到91%和99%, 这是由于城市污水处理厂具有消毒工艺, 加强了对这两种抗生素的去除.并且其分别在沙田和赤柱的活性污泥工艺的处理中, EM的降解分别为15%和26%, 这与本结果在活性污泥生物处理过程中得出的结果相似. CIP在CASS工艺中有较好的去除率, 去除率均可以达到70%, Kovalova等的研究发现^[30], 在经过MBR出水后, CIP的去除率达到51%. Wang等^[31]研究城市污水处理厂抗生素的去除, 发现在经过厌氧消化后, 在出水CIP和EM能够完全去除. W5和W6厂的氧化沟工艺, 对SD、TC、OFX、CIP和NOR有较好的降解效果, 这与报道瑞典废水处理中诺氟沙星的去除效率为87%, 氧氟沙星为86%结果接近, 报道中的污水处理厂属于城市污水处理厂, 有后续的消毒措施, 提高了抗生素的去除效率.

根据图 4可以看出, W1、W2和W3个厂COD与AMP、ENR、PCN、CLR、E-OTC和OTC的降解速率相关, 可能是由于W1、W2厂为CASS工艺, SRT时间长, 从而对β-内酰胺类抗生素和四环素的代谢产物E-OTC及大环内酯类(ENR、CLR)降解效果好, 并且上述抗生素的降解与COD和NH₄⁺-N呈明显的正相关关系. ROX和EM这两种抗生素的去除效果与这3种处理工艺关系不大, EM常作为人类代谢物被检出, 为失去1个分子H₂O的脱水产物.在典型的废水中(pH为7~8), 大环内酯类抗生素可能通过阳离子交换方法被吸附, 许多通过碱性二甲基氨基(pK_a为7.1~9.2)质子化带正电, 而活性污泥的表面主要带负电^[32], 所以大环内酯类抗生素的去除与污泥有很大关系, 若不能被质子化, 将不能被污泥吸收. W4厂由于运行状况不佳, COD和TN的去除率分别仅为54.35%和0.51%, 同时抗生素也不能有效地去除, 所以W4厂的抗生素去除率与基本水质参数的去除率无太多相关性.

图 4

Fig. 4

图 4 抗生素的去除率与基本水质参数的去除率的相关性分析 Fig. 4 Correlation analysis of removal rate of antibiotics and water quality parameters

(1) 通过优化固相萃取法和液相色谱-质谱联用法, 快速同步准确检测冀西北典型小城镇6家污水处理厂进出水抗生素的浓度, 通过方法的验证, 证明了此方法的可靠性.

(2) 对6个污水处理厂的进出水的常规水质和抗生素的浓度进行了分析, 6个污水处理厂(除W4)的常规水质排放均能达到一级A排放标准. OFX和NOR为主要残留抗生素, 通过检测进出水浓度, 发现去除效果较好.其中5个污水处理厂W1、W2、W3、W5和W6的抗生素去除率均能达到60%以上.通过3种工艺对抗生素的去除效果发现, CASS工艺和Orbal氧化沟工艺对抗生素的去除效果比A²/O工艺好. CASS工艺对β-内酰胺类(AMP、PCN)、喹诺酮类(ENR、NOR和OFX)和大环内酯类(CLR)的去除效果最好, Orbal氧化沟工艺四环素类(TC、OTC)和磺胺类(SD)的去除效果最好.

(3) 同时将抗生素浓度和水质基本参数(NH₄⁺-N、TN、COD、pH等)相关性分析后, 发现水质情况对抗生素的浓度有一定的影响, NH₄⁺-N、TN及COD的浓度越高, EM、ROX、E-TC、CLR、CIP、OFX、E-OTC、TC、OTC以及NOR的浓度也相对更高.