多級AO+潛流濕地對生活污水中的EDCs及常規污染物的去除試驗研究

歐陽彤，涂保華，李喬，毛林強，張文藝

(常州大學 環境與安全工程學院，江蘇 常州，213164)

內分泌干擾物(EDCs)，也稱為環境激素，是能進入生物體內對生物內分泌系統、生殖系統及免疫系統造成危害的新型環境污染物。隨著城鎮化和工業化的進行，環境中EDCs的污染正在不斷加重，一定含量(ng/L水平)的EDCs會擾亂機體正常代謝，類固醇類環境雌激素則是生活污水中危害較大、較為典型的環境內分泌干擾物。Cappiello等[1]研究發現，不少猝死的嬰兒體內殘留的EDCs含量相對普通新生嬰兒較多，Moreira等[2]則通過小鼠實驗發現，當小鼠體內E2、EE2的含量偏高時，易對其生殖免疫系統產生不同程度的損害，由此可見，當類固醇類激素通過水循環等生態途徑傳入食物鏈，最終被人體所蓄積，隨著激素量的增長，從而對人體健康產生一定的威脅。

據資料統計，中國眾多污水處理廠出水和河流都檢出不同的EDCs含量[3-5]。目前，針對環境中EDCs的去除主要集中在污水處理工藝、物理吸附等[6]，如污水廠中的混凝、活性炭吸附、活性污泥法和膜生物反應器等，應用生物-生態耦合處理的研究較少。陳棟等[7]研究指出混凝對大多數EDCs去除效果較差，活性炭吸附僅對E1的去除率可達60%以上，對E2和EE2的去除僅為43%。陽春等[8]研究指出，一級處理污水廠對雌激素的去除率為33%，二級生物處理污水廠對雌激素的去除率為59%～94%，所以，使用現有污水廠的生物處理工藝去除雌激素，可能未能將其濃度降低到環境影響值以下。而人工濕地作為一種去除EDCs的新型研究對象，正引起人們的廣泛重視，楊可昀等[9]研究指出，對人工濕地植物根系調控可使雌激素的去除率高達70%以上。所以，在生物單元的基礎上，用生態技術進一步處理污水，對去除水體中的EDCs具有重要意義。

筆者選擇生活污水中常見的4種類固醇類內分泌干擾物作為考察對象，分別為天然雌激素雌酮(E1)、17β-雌二醇(E2)、雌三醇(E3)和人工合成的用于口服避孕藥使用的17α-乙炔基雌二醇(EE2)，并采用無硝化液內回流多級AO+潛流式人工濕地處理含一定濃度雌激素的農村生活污水，考察組合工藝的去除效果，并分析加藥前后系統內微生物群落結構變化。

1 材料與方法

1.1 多級AO+潛流式人工濕地試驗裝置

試驗裝置由集水池、無硝化液內回流多級AO、垂直潛流式人工濕地組成，工藝流程圖如圖1所示。無內回流多級AO反應器有效容積依次為2.6、3.9、2.6、3.9 L，缺氧區和好氧區的容積比約為2∶3，采用下端進水，上端出水，高低落差自流式處理方式，并向缺氧區和好氧區投加一定的活性污泥和生物填料，缺氧區和好氧區利用活性污泥和懸浮生物填料上微生物協同作用降解污染物，達到脫氮除磷的目的。好氧區使用黏砂曝氣頭曝氣，試驗進水、污泥回流采用蠕動泵進行控制。

人工濕地由配水槽、濕地處理區和出水收集區組成，長寬高為1、0.6、0.65 m。濕地基質從下到上由不同粒徑、不同厚度的礫石、紅磚碎塊、鋼渣、陶粒和土壤構成，其粒徑分別為40～50 mm、20～40 mm、8～10 mm、4～8 mm，其鋪設厚度分別為10、25、10、10、10 cm，濕地孔隙率為41.6%?；|填充后，于土壤層后移植茭白、梭魚草、黑麥草等植物。在組合工藝運行前使人工濕地單獨運行1個月，讓移植植物適應人工濕地系統環境，健康成長，并完成濕地床的掛膜。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Diagram of test device

1.2 試驗水質

試驗原水為常州某地生活污水，水質見表1。

表1 試驗水質指標Table 1 Test water quality index

試驗進水在該生活污水的基礎上添加雌酮(E1)、雌二醇(E2)、乙炔基雌二醇(EE2)和雌激素三醇(E3)4種EDCs，濃度在35～55 μg/L之間。

1.3 組合工藝的運行

試驗在前端無回流多級AO的HRT為4、7、7.5、9.5、12.5 h下進行，多級AO出水由水泵提入人工濕地中，流量與進水一致，待裝置穩定運行后對各反應器進出水進行水質指標檢測，由試驗結果得出最佳水力停留時間，在此條件下，運行裝置用以去除類固醇類內分泌干擾物。

1.4 試驗儀器與試劑

試驗所需主要儀器為：ZGDCY-24S型水浴氮吹儀(上海梓桂儀器有限公司，中國)，DG12D型固相萃取儀，SHZ-Ⅲ型循環水式真空泵(南京科爾儀器設備有限公司，中國)，Trace ISQLT型氣相色譜-質譜儀(賽默飛科技有限公司，美國)。

所用主要化學試劑：E1、E2、E3和EE2標準品(純度≥98%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，BSTFA(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，吡啶(分析純，永華化學科技有限公司)，二氯甲烷(分析純，永華化學科技有限公司)，丙酮(分析純，國藥化學試劑有限公司)，甲醇(HPLC級，國藥化學試劑有限公司)，正己烷(分析純，江蘇強盛功能化學有限公司)。

1.5 試驗方法

1.5.1 固相萃取 取1 L的水樣，采用0.45 μm的GF/F濾膜抽濾，用硫酸將濾液pH調到3以下。

Simon Acti-Carb SPE固相萃取柱依次用2.5 mL甲醇、3.5 mL超純水分別活化3次。取抽濾完的1 L水樣，以10 mL/min速率過固相萃取柱，再分別加入8 mL甲醇、8 mL二氯甲烷、8 mL正己烷進行洗柱，最后用10 mL的二氯甲烷和丙酮的混合溶液淋洗小柱，收集淋洗液。

1.5.2 衍生化處理 將淋洗液在35～40 ℃的水浴氮吹儀中用高純度氮氣緩慢濃縮至1 mL，取100 μL濃縮液至色譜進樣瓶中，再由氮氣吹干，然后加入25 μL BSTFA和50 μL吡啶，于常溫條件下反應20 min，進行GC-MS分析。

1.5.3 ECDs測定條件 氣質聯用儀色譜柱為TG-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，氣相條件如下。

GC：以氦氣為載氣，流速1 mL/min；不分流方式進樣，進樣口溫度280 ℃，進樣體積1 μL；柱初始溫度為50 ℃，保持2 min，以12 ℃/min程序升溫至260 ℃，保持8 min，再以3 ℃/min升溫至280 ℃，保持5 min。

MS：接口溫度280 ℃，傳輸線溫度300 ℃，離子源為EI源，溫度250 ℃，電子轟擊能量70 eV，溶劑延遲時間12 min，以全掃描模式定性，掃描范圍參數m/z為50～600，以選擇離子掃描模式定量。

根據其衍生產物的特征碎片離子分布特征從而來確定目標產物的實際濃度，衍生產物的實際參數見表2。

圖2為所測的E1、E2、EE2、E3衍生產物的總離子特征分布圖。

表2 衍生物的相應參數Table 2 corresponding parameters of derivative products

注：x為目標產物的實際濃度，單位mg/L；y為色譜峰面積。

圖2 衍生產物的總離子特征分布圖Fig.2 Total ion characteristic distribution of derivative products

1.5.4 高通量454測序樣品采集與分析 采集投加EDCs后運行2個月以內的好氧池污泥，冷凍保存，委托生工生物工程(上海)股份有限公司進行454焦磷酸測序測定，并與之前測定的未加任何內分泌干擾物和菌劑的污泥進行對比。

2 結果與討論

2.1 AO+人工濕地對常規污染物去除分析

2.1.1 CODCr去除分析 隨著HRT的增加，前端無回流多級AO對CODCr的去除率呈輕微上升趨勢。HRT對CODCr的去除效果影響不大。由圖3可知，試驗期間，無回流多級AO裝置平均進水濃度為220.02 mg/L，出水平均濃度為58.03 mg/L。CODCr的去除主要靠無回流多級AO中的懸浮性活性污泥和生物膜上的好氧、兼氧、厭氧生物菌群的新陳代謝來去除。多級AO出水進入潛流式人工濕地繼續處理，其出水在5種水力停留時間下都較好，無明顯差別，說明人工濕地對CODCr去除率受HRT影響較小，這與梁康等[10]的結論相似，5種HRT下的去除率都約在80%左右，CODCr的平均出水濃度為31.64 mg/L。

圖3 HRT對CODCr去除的影響Fig.3 Effect of hydraulic retention time on CODCr removal

2.1.2 氨氮去除分析 由圖4可知，隨著HRT的增加，無回流多級AO對氨氮的去除率逐漸上升，去除率由59.32%增加到96.25%，HRT對NH4+-N的去除效果影響較大，這與潘欣語等[11]的結論類似，在水力停留時間為9.5 h時，去除效果與張國珍等[12]研究的水力停留時間為10 h時，三級缺氧-好氧對NH4+-N的去除效果相近。HRT越長，兩段好氧池的硝化作用使硝化細菌對NH4+-N的轉化越充分，濕地植物根系釋放氧氣，形成根區與非根區的好氧、厭氧環境，強化硝化與反硝化作用，加快NH4+-N去除。整個試驗運行期間，NH4+-N平均進水濃度為26.46 mg/L，平均出水濃度為0.86 mg/L，平均去除率為96.76%。

圖4 HRT對NH4+-N去除的影響Fig.4 Effect of hydraulic retention time onNH4+-N removal

2.1.3 總氮去除分析 由圖5可知，HRT由4 h增加到7 h時，無回流多級AO對TN的去除效率由52.07%提高到65%；當HRT繼續延長至12.5 h，去除率平穩上升，從65%上升至77.27%。污水進入濕地后，HRT對濕地去除TN的影響不大，出水平均濃度為3.94 mg/L，平均去除率為87.36%，去除效果較好。冷璐等[13]和Baek等[14]研究表明，在低溶解氧下會發生同步硝化反硝化，與傳統硝化反硝化相比，同步硝化反硝化可節省約1/4的能耗和2/5的碳源。而試驗中缺氧池的溶解氧控制在0.2～0.6 mg/L之間，加上好氧池污水帶來部分溶解氧，便形成了好氧、缺氧、厭氧3個梯度的區域生存環境，從而在系統內形成了既有利于硝化菌和反硝化菌的生存環境，也有利于異養硝化反硝化菌的同步硝化反硝化作用的發生，而對缺氧池、好氧池的高通量測序中，均發現了異養硝化反硝化的菌屬。此外，投加絲狀填料和懸浮填料可形成泥-膜共生處理系統，提高系統中的微生物量[15]，強化去除效果。污水進入濕地后，通過濕地微生物硝化反硝化作用，植物對氮素的吸收，使得TN被進一步去除。

圖5 HRT對TN去除的影響Fig.5 Effect of hydraulic retention time on TN removal

2.1.4 總磷去除分析 據Liu等[16]和尹子華等[17]研究表明，多級AO可同步實現脫氮除磷的作用，污水在在系統中反復進行2次或2次以上的厭氧放磷和好氧吸磷，對磷的去除效率可達到60%以上。由圖6可知，隨著HRT的增大，無回流多級AO對TP的去除率逐漸上升，去除率分別為46.2%、58.9%、62.32%、67.54%和69.77%，但由于進水COD不高，有限的碳源優先被用來反硝化脫氮，剩余碳源有限，故除磷效果受到限制，這與陳杰云等[18]的結論類似。人工濕地對不同HRT下的尾水都保持了較好的TP去除效果，隨著HRT的增加，TP去除效率呈上升趨勢。綜上分析認為，當多級AO、濕地HRT分別為9.5 h、10.3 d左右時，處理效果較好，CODCr、NH4+-N、TN和TP平均去除率分別為78.64%、97.16%、91.84%、90.55%，滿足了太湖流域污水的高標準《太湖地區城鎮污水處理廠及重點工業行業主要水污染物排放限值》(DB 32/1072—2017)排放要求，繼續延長水力停留時間，去除效果雖然小有提升，但考慮到運行成本、操作方便等因素，以多級AO HRT為9.5 h、濕地HRT為10.3 d為組合工藝的最佳水力停留時間。

圖6 HRT對TP去除的影響Fig.6 Effect of hydraulic retention time on TP removal

2.2 多級AO+潛流式人工濕地各反應器對EDCs去除分析

在整個試驗檢測周期中，多級AO+潛流式人工濕地保持連續進水，且進出水水質穩定，其對4種雌激素的去除效果如圖7所示。由圖7可以看出，在E1進水濃度為52.24 μg/L的情況下，系統出水濃度為2.07 μg/L；E2進水濃度為45.79 μg/L，出水濃度為3.46 μg/L；E3進水濃度為43.82 μg/L，出水濃度為6.53 μg/L；EE2進水濃度為39.76 μg/L，出水濃度為4.62 μg/L。多級AO+潛流式人工濕地組合工藝對E1、E2、E3和EE2這4種雌激素去除率分別達96.04%、92.45%、85.09%、88.38%，去除效率較好，都在80%以上，相比傳統活性污泥工藝，其在組合工藝中的出水濃度更低。其中，對E1的去除效率最高，E2次之，EE2再次之，E3最低。E3在組合工藝中的去除率偏低，可能是因為E3生物活性最弱，穩定性強，E3是E1和E2生物降解過程中的中間產物，E1和E2降解的同時，一部分轉化為E3所致[19]。

圖7 組合工藝各反應器EDCs出水濃度Fig.7 EDCs effluent concentration in each stage of the combined process

2.3 多級AO+潛流式人工濕地各反應器對EDCs的去除機制

由圖8可以看出，多級AO對4種雌激素E1、E2、E3和EE2的去除率分別達到75.50%、72.00%、65.08%和63.35%，各生物單元對EDCs的降解都起到了一定的作用，表明污泥吸附對EDCs有較強的去除效果，這是由于類固醇類EDCs多半有親脂疏水的特性。組合工藝各反應器對雌激素的去除貢獻率由大到小依次為一級好氧池、人工濕地、一級厭氧池、二級缺氧池和二級好氧池。多級AO系統中，E1、E2和E3雌激素的去除主要依靠厭氧池、好氧池、缺氧池。而EE2在厭氧池中去除率較低，這與雌激素在活性污泥中的吸附親和力有關，Andersen等[20]指出，E1、E2和EE2在污泥上的吸附親和力依次增大。一級好氧池和二級缺氧池對4種雌激素的去除貢獻較大，其中，一級好氧池對污染物的去除可達27%以上，表明污泥吸附后的生物降解進一步去除了雌激素，且池中存在的好氧或兼性厭氧菌對EDCs的去除起著重要作用，陳棟等[21]指出異養菌的好氧分解和硝化菌的硝化作用可以一定程度上有效地降解EDCs濃度，并且厭氧-好氧的運行模式可培育出良好的脫氮除磷菌群結構，這種特性的污泥對雌激素的吸附效果可能更好。污水進入濕地后，系統對E1、E2、E3的去除率約為20%，EE2為25%，表明潛流式濕地可進一步去除EDCs。潛流式濕地對EDCs去除可能是濕地基質吸附、濕地植物吸收和濕地微生物降解菌的降解三者共同作用。而濕地種植根系發達的茭白等植物，這些植物根系泌養和根系微生物對雌激素的去除所起的促進作用可能更大[22]。

圖8 各沿程對EDCs的去除率Fig.8 Removal rate of EDCs along each path

2.4 EDCs生物降解Alpha多樣性指數分析

Alpha多樣性指數[23]常被用來反映微生物群落生態中的物種豐富度和多樣性。其中，Chao1指數和ACE指數的數值越大，則表明樣品的物種數量越多；Shannon指數和Simpson指數是用來反映微生物群落多樣性的指數，Shannon指數越高則表明群落多樣性越高，而Simpson指數則恰好相反[24]。表3反映的是好氧池投EDCs前后Chao1、ACE、Shannon、Simpson和OTU等值的變化情況。從表3可以看出，投加雌激素后的Chao1、ACE值要遠大于投加前的，表明加雌激素后的物種數量要多于未加前，而Shannon指數值則相差無幾，Simpson指數值是投加雌激素前略大于投加后，表明投加雌激素后的好氧池微生物群落多樣性要大于投加前。

表3 樣品多樣性統計Table 3 Sample diversity statistics

2.5 EDCs生物降解門分類、屬分類的微生物群落物種及其豐度分析

加雌激素運行35 d后的好氧池微生物群落結構(門水平)如圖9(a)所示，與未加EDCs相比(如圖9(b)所示)，投加后的好氧池微生物群落門水平發生變化，相對豐度>1%的僅有4類菌門，分別為Proteobacteria(變形菌門)、Bacteroidetes(擬桿菌門)、Firmicutes(厚壁菌門)和Chloroflexi(綠彎菌門)，而未加藥的有10類菌門。其中，變形菌門豐度較之前增加了近13%，厚壁菌門增加了近15.6%，綠彎菌門減少了近14%。加雌激素運行35 d后的好氧池微生物群落結構(屬水平)如圖10(a)所示，與未投藥相比(如圖10(b)所示)，群落結構屬水平發生變化，相對豐度>1%的菌種由原來的9類增加到16類，且菌屬類型也發生變化。其中，變化最大的是Acinetobacter(不動桿菌屬)，增加了9.16%，成為絕對優勢菌屬。Hydrogenophaga(氫噬胞菌屬)增加了1.6%，Pseudomonas(假單胞菌屬)由0.05%增至0.45%，此外，還出現Comamonas(叢毛單胞菌，3.3%)、Proteocatella(1.4%)、Brevundimonas(短波單胞菌屬，5.0%)等優勢菌屬。

圖9 微生物群落結構變化圖(門)Fig.9 Comparison of microbial community structure (phylum)

McAdam等[25]研究碳化、硝化、硝化反硝化3種活性污泥對雌激素的去除效率，去除效率由高到低分別是硝化活性污泥(91%)、硝化反硝化活性污泥(80%)、碳化活性污泥(51%)，進一步證實了異養菌對EDCs的去除有顯著的強化作用。不動桿菌屬、假單胞菌屬都具有硝化反硝化作用，此類微生物不僅能完成有機氮和無機氮的硝化過程及代謝難降解的有機物，且均可在缺氧或好氧條件下將亞硝酸根離子或硝酸根離子還原為氮氣，而叢毛單胞菌可以進行短程硝化反硝化作用，這表明投加EDCs后增加的不動桿菌屬、假單胞菌屬和叢毛單胞菌等脫氮優勢菌屬對系統中雌激素的去除起到了促進作用。

圖10 微生物群落結構變化圖(屬)Fig.10 Comparison of microbial community structure (genus)

3 結論

1)當多級AO HRT為9.5 h、濕地HRT為10.3 d時，組合工藝對CODCr、NH4+-N、TN和TP污染物去除率可分別達78.64%、97.16%、91.84%、90.55%，滿足了太湖流域污水的高標準排放要求。無回流多級AO+潛流式人工濕地組合工藝對E1、E2、E3和EE2這4種EDCs有較高的去除效果，去除率分別達96.04%、92.45%、85.09%、88.38%，其中，E1去除效果最好，而E3去除率偏低，可能是因為E3是E1和E2生物降解過程中的中間產物。

2)EDCs的去除主要依靠活性污泥吸附與微生物降解。生物單元多級AO中，一級好氧池和二級缺氧池對4種雌激素的去除貢獻較大，表明好氧或兼性厭氧菌對EDCs的去除起著重要作用。生態單元中，濕地基質的吸附、濕地植物發達根系泌養和根系微生物對于4種EDCs的去除效率可在生物單元基礎上提高20%～25%。

3)Alpha多樣性指數分析表明，加入EDCs后運行的好氧池物種數量和多樣性要多于未加前，門分類和屬分類的微生物群落物種及其豐度分析表明，變形菌門豐度較之前增加了近13%，厚壁菌門增加了近15.6%，增加的反硝化菌屬Acinetobacter、Comamonas和Pseudomonas等成為優勢菌屬，對系統中雌激素的去除起到了促進作用。