城鎮(zhèn)污水處理廠中β－內(nèi)酰胺類抗生素的分布與遷移

房曉君，賈麗英，劉娟

(河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，河北邯鄲056038)

抗生素是人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂米顝V泛的一類藥物，大量使用加大了其進(jìn)入環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)，可以誘導(dǎo)耐藥性細(xì)菌，毒害水生生物和土壤生物，危害人體健康［1]。目前一些學(xué)者在河流、湖泊、水庫、污水等各種類型的水體中檢測出不同濃度水平的抗生素藥物［2－4]。而現(xiàn)有的城鎮(zhèn)污水處理廠對這類痕量污染物不能有效去除［5]，使得這類物質(zhì)隨污水廠的尾水直接排放到水環(huán)境中，造成“假性持久性”污染，因而城市污水處理廠作為抗生素類微污染物排放的點(diǎn)源而受到廣泛的關(guān)注［6]。β－內(nèi)酰胺類抗生素的殺菌活性強(qiáng)、毒性低、適應(yīng)癥廣及臨床療效好，是臨床最常用的抗生素藥物。這類藥物的超量濫用導(dǎo)致人體沒有吸收完全就排出體外，然后通過市政管網(wǎng)進(jìn)入污水處理廠。本文研究了其在城鎮(zhèn)污水處理廠中的分布和遷移。

1 材料和方法

1.1 試劑和儀器

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)頭孢克洛(＞99.9%)、頭孢噻肟(＞99.9%)、頭孢唑林(＞99.9%)、頭孢曲松(＞99.9%)、阿莫西林(＞99.9%)、鹽酸普魯卡因(＞99.9%)購自中國藥品生物制品檢定所，乙腈購自德國默克公司，甲酸購自CNW公司，甲醇購自Sigma公司，試驗(yàn)用水為超純水。

1.2 樣品采集與預(yù)處理

該污水處理廠設(shè)計(jì)處理量為10.0×104m3/d，實(shí)際污水處理量為4.0×104m3/d。其中生活污水占65%，工業(yè)廢水約占35%。污水處理工藝包括格柵、曝氣沉砂池、三溝式氧化溝。污泥處理工藝包括:污泥重力濃縮池、均質(zhì)池和帶式脫水機(jī)房。

自2011年9月至11月，進(jìn)行了為期2個(gè)月，每周3次的采樣活動(dòng)，采集污水處理廠進(jìn)水和氧化溝出水。采樣前將配有玻璃塞的棕色玻璃瓶用重鉻酸鉀洗液浸泡12 h，再依次用自來水和去離子水清洗數(shù)次，然后用錫紙包裹置于130℃烘箱中干燥4 h以上。采集時(shí)先用水樣潤洗采樣瓶2～3次，然后取1L水樣裝于棕色玻璃瓶中，用0.5M鹽酸調(diào)節(jié)pH到2.5并加入5 mL 5%Na2EDTA，盡快將水樣送至試驗(yàn)室。

水樣固相萃取前，HLB小柱需依次用甲醇、蒸餾水(1%甲酸水)各4 mL活化，并使甲醇和1%甲酸水各在小柱中停留5 min左右，然后開啟真空泵放掉溶劑，控制流速為2～3 mL/min，使溶液呈滴狀從小柱中滴出。取0.5 L水樣通過2層中速定性濾紙過濾;濾液再分別用 0.45 μm和0.22 μm的混合纖維素酯微孔濾膜過濾。將濾液通過活化好的HLB小柱，控制流速在10 mL/min左右。富集完成后，首先用6 mL去離子水清洗小柱，并用真空泵連續(xù)抽吸2 min，抽干殘余水分;然后用3×2mL甲醇分三次淋洗萃取柱，洗脫液收集于雞心瓶中，最后將洗脫液自然風(fēng)干用超純水定容至1 mL，4℃避光保存。

采集脫水污泥，用鋁箔紙包裹帶回試驗(yàn)室。取適量污泥稱重后置于－20℃預(yù)冷凍24 h，然后在－60℃冷凍干燥48 h。研磨冷凍干燥后的污泥，過200目的篩網(wǎng)。稱取2.0 g過篩后的污泥樣品，放入25 mL具塞錐形瓶中，加入10 mL50%的甲醇溶液(pH=2)。恒溫振蕩 15 min，超聲10 min，并將泥水混合物完全轉(zhuǎn)移到玻璃離心管中，4 000 r/min離心5 min，轉(zhuǎn)移上清液至500 mL棕色玻璃瓶中;用同等體積的50%甲醇溶液再次萃取2次，混合所有上清液，搖勻;用超純水定容至500 mL，使溶液中有機(jī)相濃度小于5%;并用0.45 μm的濾膜過濾，調(diào)節(jié) pH 至 2.5，最后固相萃取濾液，方法同水樣。

1.3 樣品的分析檢測

分析儀器:Agilent 1200高效液相色譜儀(檢測器:二極管陣列檢測器，色譜柱:Eclipse XDBC18，4.6 mm ×150 mm，5 μm)。

分析條件:流動(dòng)相為乙腈(A)和0.1%甲酸水(B)，采用梯度洗脫為0～11 min，95% ～30%B;11 ～12 min，95%B;12 ～15 min，95%B。流動(dòng)相流速為 0.6 m L/min，柱溫為 35℃，進(jìn)樣量 20 μL，檢測波長為254 nm(參比波長286 nm)。

2 結(jié)果與討論

2.1 進(jìn)、出水中抗生素的含量

污水處理廠進(jìn)水、出水和污泥中6種β－內(nèi)酰胺類抗生素的分布見圖1所示。從圖1中可以看出，6種β－內(nèi)酰胺類抗生素在進(jìn)水中均有檢出。阿莫西林、鹽酸普魯卡因、頭孢克洛、頭孢曲松、頭孢噻肟和頭孢唑啉的濃度分別為1.857～2.579 μg/L、1.639 ～ 1.982 μg/L、0.956 μg/L ～ 2.210 μg/L、1.977 ～ 2.824 μg/L、1.057 ～ 1.433 μg/L和1.937 ～2.967 μg/L。該結(jié)果與文獻(xiàn)［6] 報(bào)道的結(jié)果相似。出水中鹽酸普魯卡因、頭孢克洛、頭孢曲松、頭孢噻肟和頭孢唑啉均有檢出，濃度含量依次為 1.512 ～ 1.988 μg/L、0.731 ～ 0.962 μg/L、1.097 ～1.314 μg/L、0.427 ～0.939 μg/L 和 0.559～1.036 μg/L，其中阿莫西林未被檢出，相應(yīng)的平均去除率分別為:100%、34.8%、37.9%、22.0%、47.8%、63.2%。

表1 污水廠中6種β－內(nèi)酰胺類抗生素的總量和去除率(單位:/g.d－1)Tab.1 The total and removal rate of six kinds of β － Lactam Antibioticsin municipal treatment plant(unit:/g.d －1)

阿莫西林基本母核為四元β－內(nèi)酰胺環(huán)駢合五元?dú)浠邕颦h(huán)，并且β－內(nèi)酰胺環(huán)中羰基和氮上的未共用電子對不能共軛，加上四元環(huán)的張力，造成β－內(nèi)酰胺環(huán)高度不穩(wěn)定，因此阿莫西林的平均去除率最高。頭孢類抗生素母核為四元β－內(nèi)酰胺環(huán)駢合六元?dú)浠玎涵h(huán)，并且六元環(huán)內(nèi)雙鍵與β－內(nèi)酰胺環(huán)中氮原子的未共用電子形成共軛，使β－內(nèi)酰胺環(huán)趨于穩(wěn)定，因此頭孢類抗生素平均去除率較低。

抗生素結(jié)構(gòu)中側(cè)鏈的長度、取代基的位置與官能團(tuán)不同是影響降解的主要因素［7－8]。在這6種抗生素中，頭孢曲松的分子量最大，側(cè)鏈最長，故不易降解去除。頭孢克洛結(jié)構(gòu)中的氫化噻嗪環(huán)上有1個(gè)－Cl取代基，會(huì)降低其生物降解速率。辛醇－水分配系數(shù)(logKow)和吸附系數(shù)(Kd)直接影響化合物在污水中的水固相的分配［9]。在這6種抗生素中，鹽酸普魯卡因的logKow最大但也小于3。這表明，鹽酸普魯卡因親水性較差，在污水廠中主要通過污泥吸附去除。

2.2 物料衡算

假定β－內(nèi)酰胺類抗生素在污水處理廠中主要的遷移途徑為降解和污泥吸附，則應(yīng)存在等式(1)的關(guān)系:

式中Min－每日進(jìn)入污水廠的β－內(nèi)酰胺類抗生素總量，g;Mout－每日排出污水廠的β－內(nèi)酰胺類抗生素總量，g;Mdeg－每日降解去除的β－內(nèi)酰胺類抗生素量，g;Msledge－每日隨污泥排出的β－內(nèi)酰胺類抗生素量，g。

通過降解作用去除的抗生素總量為

根據(jù)對β－內(nèi)酰胺類抗生素日流量監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行物料衡算，結(jié)果見表1。

從表1可知，每天進(jìn)入污水廠的6種β－內(nèi)酰胺類抗生素總量為466.15 g，排出水廠的抗生素總量為217.33 g，通過污泥吸附去除的總量是82.84 g，即每天有 165.98 g β － 內(nèi)酰胺類抗生素降解作用而去除。總降解率為35.60%，其中阿莫西林和頭孢唑林的降解率均超過50%，而其他4種物質(zhì)的降解率均低于40%?？偽铰蕿?7.78%，其中阿莫西林的吸附率超過40%，其它5種抗生素的吸附率均低于25%。

物料衡算的結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果相近，這表明β－內(nèi)酰胺類抗生素在污水處理廠中的遷移途徑為降解和吸附。

3 結(jié)論

1)β－內(nèi)酰胺類抗生素在進(jìn)水和出水中的含量分別為 0.956 ～ 2.967 μg/L、0 ～ 1.988 μg/L。阿莫西林的平均去除率最高，為100%。頭孢唑啉次之，頭孢曲松最低。

2)β－內(nèi)酰胺類抗生素在污水處理廠的遷移途徑主要為降解和污泥吸附。阿莫西林和頭孢唑啉降解率均高于50%。阿莫西林的吸附率最高，普魯卡因次之?？股氐目偨到饴蕿?35.60%，總吸附率為 17.78%，總?cè)コ蕿?3.38%。這表明，有接近50%的剩余殘留量將隨最終出水排出，因而需要增加對低去除率物質(zhì)的研究。

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