土壤滲濾系統(tǒng)處理典型抗生素的研究進(jìn)展

李舒涵, 楊紅薇,鄭雨蒙,張啟文

(西南交通大學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室, 成都 611756)

1 引 言

抗生素污染問(wèn)題正日益受到重視。越來(lái)越多不同濃度的抗生素在環(huán)境介質(zhì)中被檢測(cè)出，如Ginebreda A[1]等人在西班牙某污水處理廠下游河道中檢測(cè)出了0.01～1.00 ug/L的磺胺甲惡唑、紅霉素及氧氟沙星等29種抗生素；張瑞杰[2]等人在萊州灣及其主要入海河流檢測(cè)出了99.00～120.00 ng/L的喹諾酮類抗生素；葉計(jì)朋[3]等人在珠三角流域檢測(cè)出了氧氟沙星、諾氟沙星、磺胺甲惡唑和紅霉素等8種抗生素，其中紅霉素和磺胺甲惡唑的最高檢出濃度分別達(dá)1 340.00 ng/L和880.00 ng/L。

抗生素屬于痕量有機(jī)污染物，具有濃度低、危害大、部分難降解等特點(diǎn)，近年來(lái)，學(xué)者們正從各個(gè)角度探索其可靠有效的去除方法，如活性炭吸附、膜處理、高級(jí)氧化、土壤滲濾等[4]。其中活性炭吸附和膜處理主要是實(shí)現(xiàn)分離，并沒(méi)有真正的去除抗生素；而高級(jí)氧化雖然可以實(shí)現(xiàn)抗生素的去除，但在氧化過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生毒性更強(qiáng)的中間產(chǎn)物，因此該方法還處于不斷的研究中[5]。而土壤滲濾系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合了吸附、生物降解、水解、光解等作用，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大多數(shù)抗生素的有效去除，又具有成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[6]。Amy[7]的研究表明，污水處理廠出水中的抗生素在經(jīng)土壤滲濾系統(tǒng)的進(jìn)一步處理后，抗生素的含量能降低50.00%～75.00%。這顯示出滲濾系統(tǒng)處理抗生素的美好應(yīng)用前景。因此，本文擬針對(duì)國(guó)內(nèi)外已有的相關(guān)研究進(jìn)行綜述，旨在為SAT系統(tǒng)在抗生素處理中的應(yīng)用推廣提供提供進(jìn)一步的研究參考。

2 SAT系統(tǒng)簡(jiǎn)介

土壤滲濾系統(tǒng)(Soil aquifer treatment system, SAT系統(tǒng))是20世紀(jì)60年代由日本學(xué)者新見正開發(fā)的一種淺層土壤處理系統(tǒng)[8-9]。SAT系統(tǒng)突破了污水深度(三級(jí))處理系統(tǒng)的局限，具有運(yùn)行費(fèi)用低、基建投資少、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在日本、美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家應(yīng)用廣泛，并取得了良好處理效果[10]。SAT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[11]如下圖。

由右圖不難理解，傳統(tǒng)有機(jī)污染物的去除在SAT系統(tǒng)中主要包括吸附、生物降解和化學(xué)轉(zhuǎn)化。污染物進(jìn)入系統(tǒng)后，首先被吸附截留下來(lái)，然后通過(guò)生物氧化作用得降解，研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)有機(jī)物在SAT系統(tǒng)中的去除率達(dá)90.00%。

圖 SAT系統(tǒng)剖面圖Fig. The profile of SAT system

3 SAT系統(tǒng)對(duì)抗生素處理效果

常用抗生素一般可以分為五大類，分別為磺胺類、大環(huán)內(nèi)脂類、喹諾酮類、β-內(nèi)酰胺類及四環(huán)素類，這些抗生素結(jié)構(gòu)不同、性質(zhì)各異，在SAT系統(tǒng)中的去除機(jī)理及效果也不完全相同，但有研究表明SAT系統(tǒng)不僅對(duì)水體中多種抗生素都有較好的去除效果，且該系統(tǒng)對(duì)不同濃度的抗生素也都有較好的去除效果，詳見表1。

表1 現(xiàn)有文獻(xiàn)中滲濾系統(tǒng)去除抗生素的種類及效果Tab.1 Types and effects of antibiotics removed by percolation system in existing literature (mg/L)

續(xù)表1

抗生素種類抗生素濃度試驗(yàn)或采樣條件最優(yōu)出水水質(zhì)或去除率參考文獻(xiàn)紅霉素0.02～0.13現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查:針對(duì)實(shí)際二級(jí)生化出水,調(diào)查了法國(guó)Angerville SAT系統(tǒng)在去除12種有機(jī)微污染物方面的表現(xiàn)。紅霉素能被完全去除。M. Hernández[17]等2012磺胺甲惡唑0.00～350.00現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查:在位于塞薩洛尼基(希臘)污水處理廠以北的測(cè)試場(chǎng)地進(jìn)行滲透實(shí)驗(yàn),針對(duì)二級(jí)生化出水,調(diào)查了包括磺胺甲惡唑在內(nèi)的16種具有不同傳輸特性的新型有機(jī)污染物。在監(jiān)測(cè)井中,磺胺甲惡唑濃度甚至超過(guò)了在池塘中觀察到的濃度。Hang Thuy Thi Nham[18]等2015磺胺甲惡唑0.23～10.00柱體試驗(yàn):設(shè)試驗(yàn)柱模擬岸邊過(guò)濾系統(tǒng)中磺胺甲惡唑降解,模擬柱高200.00cm,直徑15.50cm,填有0.70～1.20mm的石英砂;連續(xù)流0.13 m/d,以湖水為進(jìn)水;溫度10.00～12.00℃,水力停留時(shí)間約14d;分別設(shè)置好氧、缺氧和厭氧條件。運(yùn)行27個(gè)月后,好氧時(shí)磺胺甲惡唑去除率57.00%～95.00%,出水濃度0.23±0.06 μg/L;缺氧和厭氧為27.00%和51.00%,出水濃度2.80±0.85 μg/L和1.50±0.57 μg/LBaumgarten B[19]等紅霉素10.00柱體試驗(yàn):采用裝填哈工大校區(qū)土壤的2根高50.00cm、內(nèi)徑10.00cm土壤柱串聯(lián)作為模擬柱,水力負(fù)荷約0.03 m/d,16h潤(rùn)濕8h干燥,溫度25.00±0.5℃;進(jìn)水為人工配水和污水處理廠二級(jí)出水進(jìn)水為人工配水時(shí),去除率達(dá)92.90%;進(jìn)水為二級(jí)出水時(shí),去除率降至64.70%Liangliang Wei[20]等三氯生10.00厚30.00cm、直徑2.50cm的砂柱,以上向流進(jìn)人工配水,流速0.10 mL/min;水力負(fù)荷約0.29 m/d,連續(xù)進(jìn)水。運(yùn)行300d后,三氯生出水濃度低于進(jìn)水濃度的5.00%,非生物柱中去除率為81.00%～87.00%。Onesios K M[21]等,2012含喹諾酮類、磺胺類、四環(huán)素類共15種抗生素23.00～769.00柱體試驗(yàn):設(shè)9個(gè)大小不等的模擬柱,以污水廠二級(jí)出水為進(jìn)水,重力流進(jìn)水。當(dāng)水力停留時(shí)間為7d時(shí),三類抗生素的去除率均能達(dá)80.00%以上。He [22]等,2016磺胺甲惡唑20.00柱體試驗(yàn):利用2個(gè)工程型SAT系統(tǒng)90d的模擬試驗(yàn)來(lái)了解磺胺甲惡唑的生物降解。模擬柱高62.00cm,直徑4.50cm,填充受抗生素生產(chǎn)企業(yè)污染的土壤;以人工配水為進(jìn)水,流速0.30 mL/min連續(xù)流,水力負(fù)荷約0.27 m/d。試驗(yàn)柱運(yùn)行90d,實(shí)現(xiàn)對(duì)2升配水/次,共19～20次循環(huán)處理后,出水磺胺甲惡唑濃度為0.08 mg/L,去除率達(dá)99.61%。Ashwinkumar P. Rudrashetti [12]等2017磺胺甲惡唑150.00～367.00現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查:調(diào)查以色列Dan地區(qū)的Shafdan SAT,滲流區(qū)間歇自然通氣(1d滲透和兩d干燥),在土壤中的總保留時(shí)間為6～12個(gè)月。經(jīng)生物過(guò)濾后,磺胺甲惡唑濃度有所增加。Anat Lakretz[23]等2017卡馬西平克拉霉素氟西汀磺胺甲惡唑1.00～2.00柱體試驗(yàn):高150.00cm,直徑35.00cm的2個(gè)不銹鋼柱,填充均質(zhì)混合物(<0.50mm)和0.60 kg堆肥(<1.00 mm);取污水廠二級(jí)處理的出水為進(jìn)水,額外加入1.00 ug/L的各種藥物;溫度24.00±2℃;試驗(yàn)進(jìn)行了56d,克拉霉素和氟西汀經(jīng)柱體處理后未能檢出;磺胺甲惡唑和卡馬西平去除率達(dá)到70.00%以上,出水濃度低至200.00 ng/L。XMario Schaffer[24]等,2015

不僅濃度為ng/L的抗生素可被SAT系統(tǒng)有效去除，對(duì)于濃度達(dá)到mg/L的抗生素，SAT系統(tǒng)的去除效果也較好。典型的研究是印度學(xué)者Rudrashetti A P[12]用實(shí)驗(yàn)室模擬柱處理濃度為20.00 mg/L的磺胺甲惡唑，控制水力負(fù)荷為mg/L，將系統(tǒng)出水進(jìn)行多次回灌，直到磺胺甲惡唑被最大程度去除。第一次回灌后，磺胺甲惡唑出水濃度為14.08 mg/L，去除率為70.15%；第二次回灌后，磺胺甲惡唑出水濃度為3.38 mg/L，去除率為87.02%；第四次回灌后，磺胺甲惡唑出水濃度為0.48 mg/L，去除率為99.61%。相對(duì)于低濃度抗生素，高濃度抗生素更容易造成系統(tǒng)介質(zhì)吸附飽和、微生物多樣性減少，但此時(shí)抗生素對(duì)生物群落的選擇性壓力更大，利于抗生素降解的微生物會(huì)迅速生長(zhǎng)增殖成為優(yōu)勢(shì)群落， Rudrashetti A P通過(guò)宏基因組測(cè)序發(fā)現(xiàn)20.00 mg/L的磺胺甲惡唑進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，硫氧菌會(huì)迅速富集降解磺胺甲惡唑。關(guān)于SAT處理高濃度抗生素的研究較少，但從目前的研究成果來(lái)看，高濃度抗生素在SAT系統(tǒng)中也可通過(guò)吸附和生物降解等作用被有效去除。

綜上所述，SAT系統(tǒng)可通過(guò)吸附和生物降解去除微克級(jí)或毫克級(jí)的抗生素，去除率最高可達(dá)90.00%以上。值得一提的是，雖然SAT已被證明是可高效處理抗生素的污水處理系統(tǒng)，但其仍是生物處理系統(tǒng)，對(duì)毒性強(qiáng)、難降解或遷移性較強(qiáng)的抗生素處理能力有限，如國(guó)內(nèi)外都比較典型的抗生素磺胺甲惡唑等。為提高SAT對(duì)此類抗生素的去除能力，國(guó)內(nèi)外學(xué)者又做了諸多嘗試，相關(guān)研究見下一節(jié)。

4 SAT系統(tǒng)處理抗生素的改進(jìn)

前述研究表明，SAT系統(tǒng)不僅可以同時(shí)針對(duì)多種抗生素，也對(duì)不同濃度水平的抗生素具有較高且穩(wěn)定的持續(xù)去除效率，結(jié)合SAT系統(tǒng)本身運(yùn)行成本極低的現(xiàn)狀，很多學(xué)者對(duì)進(jìn)一步開發(fā)SAT系統(tǒng)對(duì)抗生素類痕量有機(jī)污染物的低成本、持續(xù)性去除潛力表現(xiàn)出極大的研究興趣，這些研究主要表現(xiàn)在(1)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)填料的改進(jìn)進(jìn)一步降低出水抗生素濃度；(2)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率；(3)通過(guò)將SAT系統(tǒng)與其他工藝組合提高抗生素的整體去除效率和穩(wěn)定性。

4.1 對(duì)SAT系統(tǒng)填料的改進(jìn)

填料既是系統(tǒng)的吸附介質(zhì)，同時(shí)又是微生物生長(zhǎng)繁殖的場(chǎng)所，是影響系統(tǒng)對(duì)抗生素處理效果最重要的因素之一[25]，本文總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于SAT系統(tǒng)填料的相關(guān)研究，如表2所示。

分析表中提到的填料性質(zhì)不難看出風(fēng)化花崗巖土、粉質(zhì)黏土、爐渣、生物炭等因具有較高的總有機(jī)碳、陽(yáng)離子交換量、比表面積及孔隙率從而具備較強(qiáng)的吸附能力，將這類介質(zhì)引入SAT系統(tǒng)，可有效提高系統(tǒng)對(duì)抗生素等痕量有機(jī)污染物的吸附效果。另一方面，抗生素在SAT系統(tǒng)中最終通過(guò)生物作用被降解去除，系統(tǒng)中穩(wěn)定且高效的生物膜的存在對(duì)抗生素的去除至關(guān)重要，陶粒和沸石因表面光滑、比表面積較大等特點(diǎn)而有利于微生物附著生長(zhǎng)，所以常被用于強(qiáng)化SAT系統(tǒng)的生物降解作用。

總的來(lái)說(shuō)，大多傳統(tǒng)的SAT系統(tǒng)是根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)水文、土壤等條件進(jìn)行建設(shè)，因此對(duì)其填料的改進(jìn)可以采用添加覆蓋層或預(yù)過(guò)濾的措施的途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)；另外，目前越來(lái)越多的人工構(gòu)建的土地滲濾系統(tǒng)，如近10多年來(lái)在我國(guó)建設(shè)的大量CRI系統(tǒng)，多采用河沙做填料，若采用吸附性更好的填料進(jìn)行改進(jìn)是較為方便易行的。但針對(duì)系統(tǒng)中增加吸附性能更好的填料，以強(qiáng)化系統(tǒng)對(duì)抗生素等痕量污染物的去除效率的機(jī)理目前并不是十分明確，一般來(lái)說(shuō)單一的吸附性能的增加只是短期效應(yīng)，但多個(gè)試驗(yàn)結(jié)果卻表明不僅是吸附性能得到了短期增強(qiáng)，而是整個(gè)系統(tǒng)的去除效果得到了改善，且有超過(guò)1年以上的持續(xù)性穩(wěn)定效果。這是因?yàn)槲綄?duì)生物作用的強(qiáng)化，還是吸附容量大而導(dǎo)致的，目前還沒(méi)有直接的證據(jù)說(shuō)明，需要進(jìn)一步的深入研究，以為進(jìn)一步的系統(tǒng)潛能開發(fā)提供理論支撐。

表2 SAT系統(tǒng)填料改進(jìn)Tab.2 The filler improvement of SAT system

續(xù)表2

填料填充及運(yùn)行方式處理效果參考文獻(xiàn)粉煤灰和土壤上層25.00cm土壤,下層75.00cm土壤粉煤灰5∶1混合物,重力流進(jìn)水(含10.00 μg/L磺胺甲惡唑和紅霉素人工配制二級(jí)出水),水力負(fù)荷約為0. 05 m/d運(yùn)行60d后,對(duì)磺胺甲惡唑和紅霉素的去除率由對(duì)照土柱的72.04%、64.75%提高到79.16%、68.11%,出水濃度分別低至1.00～3.00 μg/L、2.00～4.00 μg/L秦可娜[14]等2012沸石、陶粒和爐渣沸石、陶粒、爐渣依次裝填,厚度均為15.00cm,從上部進(jìn)含50.00～800.00 μg/L磺胺甲惡唑的模擬北京清河配水,水力負(fù)荷為0.20～0.50 m/d磺胺甲惡唑的總體去除率為92.3%,其中在沸石層、陶粒層、爐渣層的去除率分別為32.13%、24.24%和36.05%楊博[6]等2017采用黏土陶粒、火山巖改進(jìn)由河沙、粉質(zhì)黏土組成的填料上層15.00cm由火山巖、中粗砂、粉質(zhì)黏土按2∶3∶1混合裝填,下層為25.00cm黏土陶粒,重力流進(jìn)水(磺胺甲惡唑和甲氧芐氨嘧啶約20.00～30.00 μg/L);水力負(fù)荷約0.60 m/d運(yùn)行120d以后,對(duì)磺胺甲惡唑的去除率由純沙柱的10.00%左右提高到80.00%以上,出水磺胺甲惡唑低于5.00 μg/L;對(duì)甲氧芐氨嘧啶的去除率由純沙柱的10.00%左右提高到95.00%以上,出水甲氧芐氨嘧啶低于1.00 μg/L劉芹芹[13]等2017

4.2 對(duì)SAT系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化

一般來(lái)說(shuō)，水力負(fù)荷、濕干比、溫度、pH等是影響SAT系統(tǒng)污染物去除效率的主要因素。其中水力負(fù)荷是指通過(guò)單位面積土壤的污水流量，是影響土壤滲濾系統(tǒng)出水效果的重要因素之一。劉芹芹[13]用水力負(fù)荷約為0.60 m/d的模擬柱處理磺胺甲惡唑和對(duì)甲氧芐氨嘧啶，去除率分別為18%和29%；楊海燕[15]用水力負(fù)荷為0. 20～0.50 m/d的模擬柱處理磺胺甲惡唑，平均去除率為92.80%；Wei L[20]用水力負(fù)荷約為0.03 m/d的模擬柱處理紅霉素，去除率為64.7%；Onesios K M[21]的研究表明三氯生經(jīng)水力負(fù)荷約為0.51 m/d的模擬柱處理后，去除率為96.60%～99.35%；Sitkovsky M[25]發(fā)現(xiàn)在水力負(fù)荷為0.04～0.08 m/d的模擬柱中，磺胺甲惡唑和卡馬西平出水濃度低至200.00 ng/L，克拉霉素和氟西汀被全部去除。抗生素屬于痕量有機(jī)污染物，在環(huán)境中的存在濃度極低，且部分難降解，若在處理過(guò)程中選用較大的水力負(fù)荷，會(huì)導(dǎo)致抗生素與介質(zhì)或生物膜的接觸時(shí)間過(guò)短，無(wú)法被有效吸附或降解去除，所以無(wú)論是實(shí)驗(yàn)室模擬柱還是現(xiàn)場(chǎng)SAT系統(tǒng)，用于抗生素處理的水力負(fù)荷一般在0.50 m/d左右，甚至更小。但水力負(fù)荷也不能過(guò)小，否則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)閑置，浪費(fèi)系統(tǒng)功能。不同SAT系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)不同，所含抗生素濃度及種類亦有明顯差異，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)等因素選擇最佳水力負(fù)荷。

SAT系統(tǒng)的典型濕干比因水文地質(zhì)及處理水水質(zhì)等因素的不同而有很大區(qū)別[29]。濕干比會(huì)對(duì)系統(tǒng)的氧化還原條件產(chǎn)生較大影響，一般來(lái)講，當(dāng)運(yùn)行周期等條件一致時(shí)，濕干比越小，系統(tǒng)的氧化條件越好。以磺胺甲惡唑?yàn)槔?，Monteiro S C[30]等人認(rèn)為土壤中的好氧細(xì)菌有助于磺胺甲惡唑去除，維持良好的好氧環(huán)境可以提高磺胺甲惡唑去除效果。針對(duì)此類抗生素，在保證系統(tǒng)最大廢水處理量的同時(shí)，應(yīng)盡量降低其濕干比。Wei L[20]、秦可娜[14]分別用16h淹水8h干燥、6h淹水6h干燥的濕干比處理紅霉素和磺胺甲惡唑，抗生素的去除率高于60.00%，最高可達(dá)90.00%以上；劉芹芹[13]用1∶1的濕干比處理磺胺甲惡唑及對(duì)甲氧芐氨嘧啶去除率僅為20.00%～30.00%。

當(dāng)SAT系統(tǒng)構(gòu)造或抗生素種類不同時(shí)，即使?jié)窀杀认嗤?，去除效果也相差甚遠(yuǎn)，而對(duì)于同一SAT系統(tǒng)，不同濕干比抗生素處理效果的影響鮮有研究。合適的濕干比不僅能提高抗生素處理效果，也可以提高系統(tǒng)利用率，故筆者認(rèn)為增加濕干比對(duì)抗生素處理影響的研究，在未來(lái)可為提高SAT處理抗生素效率打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

pH會(huì)影響基質(zhì)的表面電荷和化學(xué)特性從而影響吸附效果，也會(huì)影響微生物活性及某些抗生素的存在形態(tài)。楊博[6]在實(shí)驗(yàn)室模擬柱中發(fā)現(xiàn)，填料對(duì)磺胺甲惡唑的吸附量隨pH呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，中性條件最高；Hussain S A[31]等人發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH為6.80時(shí)，土壤對(duì)莫能菌素、鹽霉素和甲基鹽霉素等3種抗生素的吸附能力最佳。因?yàn)樗岷蛪A能迅速進(jìn)入水分子間隙，將基質(zhì)表面附著的抗生素分子置換出去，降低基質(zhì)的吸附作用，所以中性條件下抗生素在填料中的吸附量最高。 近藤精一[32]等指出兩性有機(jī)化合物在等電位點(diǎn)吸附量最大，SAT系統(tǒng)中大多數(shù)填料表面帶有負(fù)電荷，酸性溶液會(huì)引起等電位點(diǎn)正向偏移。對(duì)于磺胺甲惡唑等兩性抗生素而言，在綜合考慮微生物活性的同時(shí)，應(yīng)使進(jìn)水pH盡量接近等電位點(diǎn)。

溫度至少會(huì)從吸附和生物兩個(gè)角度影響SAT系統(tǒng)處理抗生素。一般來(lái)說(shuō)，溫度較低時(shí)，系統(tǒng)填料與抗生素之間為物理吸附，作用力較弱；溫度升高，抗生素分子活化能增加，掙脫范德華力束縛以電子結(jié)合或轉(zhuǎn)移的形式被填料吸附，此時(shí)為化學(xué)吸附。當(dāng)化學(xué)吸附達(dá)到平衡，溫度進(jìn)一步升高不會(huì)引起吸附量的增加，反而呈下降之勢(shì)。楊博[6]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度為23.00～30.00℃時(shí)，沸石對(duì)磺胺甲惡唑的吸附量與溫度呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)溫度超過(guò)30.00℃后，吸附量下降。另一方面，溫度對(duì)微生物活性的影響也很大程度上影響了抗生素的去除效果，劉芹芹[13]發(fā)現(xiàn)降解磺胺甲惡唑的芽孢桿菌屬的枯草芽孢桿菌Bacillus和Lactococcus對(duì)溫度的要求極高，20.00～30.00℃時(shí)菌株體內(nèi)酶活力與溫度正相關(guān)，溫度升高，菌株對(duì)磺胺甲惡唑降解速率加快，當(dāng)溫度達(dá)35.00～40.00℃時(shí)，菌株活性受到抑制?？刂埔巴釹AT的溫度難以實(shí)現(xiàn)，故現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)未見有關(guān)于溫度的研究，柱試驗(yàn)的溫度較易控制，但目前柱體實(shí)驗(yàn)溫度一般控制在室溫25.00～30.00℃。如Sitkovsky M[25]和秦可娜[14]等人都將柱體溫度設(shè)置在25.00℃左右，此時(shí)吸附和生物降解效率均較高。

綜上，適宜的水力負(fù)荷、濕干比、溫度和pH會(huì)提高SAT系統(tǒng)對(duì)抗生素的吸附或生物降解速率，但無(wú)論是易于控制的水力負(fù)荷還是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)難以控制的溫度條件，目前的相關(guān)研究均較少，后續(xù)還有待進(jìn)一步的研究。

4.3 SAT系統(tǒng)與其他工藝的組合

基于SAT系統(tǒng)的運(yùn)行原理，在進(jìn)水水質(zhì)要求和污染物去除速率兩方面SAT都存在一些自身無(wú)法克服的缺陷，比如進(jìn)水水質(zhì)中懸浮物不能過(guò)高，否則系統(tǒng)極易堵塞；進(jìn)水污染物負(fù)荷也不能過(guò)高，因系統(tǒng)生物量有限，污染物去除速率不夠高等。針對(duì)這些問(wèn)題，部分學(xué)者考慮通過(guò)將SAT系統(tǒng)與其他工藝組合運(yùn)行來(lái)解決，從而滿足既降低污水處理成本又獲得持續(xù)穩(wěn)定處理效果的目標(biāo)。

針對(duì)典型抗生素的處理，目前已研究的組合方式主要是SAT和臭氧氧化的組合，但不同組合方式，其效果有明顯差異。Echigo S[33]等人建立了3組實(shí)驗(yàn)室模擬砂柱系統(tǒng)，分別是SAT系統(tǒng)、預(yù)臭氧氧化+SAT系統(tǒng)、SAT +后臭氧氧化系統(tǒng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)包括克拉霉素在內(nèi)的5種痕量有機(jī)污染物在預(yù)臭氧氧化+SAT、SAT +后臭氧氧化中的處理效率明顯高于單獨(dú)的SAT系統(tǒng)，且在預(yù)臭氧氧化+SAT中的處理效率高出SAT +后臭氧氧化的10.00%，出水克拉霉素濃度為0.00～50.00 ng/L。預(yù)臭氧氧化+SAT的組合方式更有利于抗生素的去除，因?yàn)轭A(yù)臭氧氧化可以將抗生素等降解為分子量更小、更易生物降解的有機(jī)化合物，提高了其在SAT系統(tǒng)中的生物降解作用。Hübner U[34]等人研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)預(yù)臭氧氧化后，SAT系統(tǒng)中SMX等痕量有機(jī)污染物的可生物降解性由未預(yù)處理的22.00%提高到34.00%；磺胺甲惡唑在單獨(dú)的SAT系統(tǒng)中去除率約為30.00%，而在預(yù)臭氧氧化+SAT系統(tǒng)中的去除率高于80.00%，出水濃度低至0.05 μg/L以下。Anat Lakretz[35]發(fā)現(xiàn)磺胺甲惡唑在SAT系統(tǒng)的出水濃度高于進(jìn)水，直至105d時(shí)，磺胺甲惡唑出水濃度才有極輕微降低，從403.00 ng/L降至400.00 ng/L；但在預(yù)臭氧氧化+SAT系統(tǒng)出水中，磺胺甲惡唑出水濃度低于20.00 ng/L，處理效果遠(yuǎn)高于單獨(dú)的SAT系統(tǒng)。SAT系統(tǒng)的穩(wěn)定期一般長(zhǎng)達(dá)一年及以上，將臭氧氧化作為SAT的預(yù)處理工藝不僅可以提高SAT系統(tǒng)的效率，也可以提高未穩(wěn)定SAT系統(tǒng)出水水質(zhì)。

單獨(dú)的臭氧氧化對(duì)污水中的抗生素具有良好的處理效果，但臭氧氧化需要將臭氧由氣相傳遞至液相，傳質(zhì)效率低，且具有費(fèi)用高能耗大的缺點(diǎn)。將臭氧氧化用做SAT系統(tǒng)的預(yù)處理工藝，可以減少臭氧使用量，與單獨(dú)的臭氧氧化工藝相比，組合工藝既可以提高抗生素處理效率，又降低系統(tǒng)能耗。SAT的組合工藝旨在進(jìn)一步降低出水抗生素含量以及提高SAT系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)抗生素濃度變動(dòng)的抗沖擊能力，雖然關(guān)于SAT系統(tǒng)組合工藝處理抗生素的研究仍在探索階段，但臭氧氧化與SAT組合工藝研究為實(shí)現(xiàn)低耗、高效的抗生素的去除開啟了一個(gè)新的思路。

5 對(duì)SAT去除抗生素機(jī)理的探討

區(qū)別于常規(guī)有機(jī)物濃度適中、易降解的特點(diǎn)，新興痕量有機(jī)污染物抗生素具有濃度極低(大多在納克和微克級(jí))、部分難降解、有一定的殺菌作用等特性，就其在SAT系統(tǒng)中的凈化機(jī)理部分學(xué)者也進(jìn)行了探索，現(xiàn)總結(jié)如表3。

由表3可知，大多數(shù)研究者認(rèn)為抗生素在SAT系統(tǒng)中的去除機(jī)理是吸附和生物降解的共同作用，部分學(xué)者還試圖弄清好氧生物降解作用的強(qiáng)弱，以尋找強(qiáng)化系統(tǒng)功能的途徑。一般來(lái)說(shuō)，抗生素的理化特性對(duì)其在系統(tǒng)中是否被吸附，以及吸附作用的強(qiáng)弱影響很大。如Onesios K M[21～37]在實(shí)驗(yàn)室模擬滅菌和非滅菌砂柱中發(fā)現(xiàn)三氯生在SAT系統(tǒng)中的主要去除機(jī)理為一種或多種非生物作用，因?yàn)槿壬耐了峙湎禂?shù)(Kd)值較大，無(wú)論土壤還是砂都對(duì)三氯生有很強(qiáng)的吸附能力。而對(duì)Kd值很小的抗生素如磺胺甲惡唑，其在環(huán)境中的遷移性很強(qiáng)，因吸附作用被去除的量很少或幾乎沒(méi)有，Rudrashetti A P[12]認(rèn)為其在SAT土柱中是由生物作用被去除的，而非土壤吸附作用，此觀點(diǎn)與Rodríguezescales P[38]不謀而合。當(dāng)介質(zhì)吸附性較強(qiáng)且有微生物存在時(shí)，吸附和生物降解的共同作用是抗生素的去除機(jī)理，如Wei L[20]、秦可娜[14]、劉芹芹[13]及楊博[6]等人在通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬柱試驗(yàn)證實(shí)紅霉素、磺胺甲惡唑及甲氧芐氨嘧啶在SAT系統(tǒng)的去除機(jī)理為吸附和生物降解的共同作用。

綜上，抗生素在SAT系統(tǒng)中的去除機(jī)理與抗生素種類、填料類型等因素有關(guān)，但目前關(guān)于其去除機(jī)理的研究仍處于探索階段，這與抗生素種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、降解過(guò)程不確定等特點(diǎn)有關(guān)，以磺胺類抗生素為例，磺胺類抗生素屬離子型化合物，在水中溶解度較高，而水體中存在多種無(wú)機(jī)陰離子和陽(yáng)離子，尚未有研究表明這些離子是否會(huì)與磺胺類抗生素的去除產(chǎn)生協(xié)同作用或相互抑制的拮抗作用[13]。對(duì)SAT系統(tǒng)中抗生素去除機(jī)理的進(jìn)一步研究不僅有利于明確影響抗生素去除效率的因素，還有助于尋找進(jìn)一步強(qiáng)化SAT系統(tǒng)功能的有效途徑。

6 結(jié)論與展望

總的來(lái)說(shuō)，SAT系統(tǒng)不僅可有效去除多種抗生素類痕量有機(jī)污染物，而且對(duì)毫克級(jí)到納克級(jí)范圍的抗生素都有效；在運(yùn)行工況良好時(shí)，大部分去除率可達(dá)90.00%以上，因此該處理技術(shù)作為污水處理廠出水的后續(xù)處理工藝具有廣闊的應(yīng)用前景。但值得一提的是，雖然SAT系統(tǒng)對(duì)抗生素的處理效率可達(dá)90.00%以上，但并未達(dá)到100.00%，經(jīng)SAT系統(tǒng)處理后，仍有少量抗生素會(huì)進(jìn)入地下水中，對(duì)地下水環(huán)境造成一定的危害。這種遷移到地下水的抗生素往往具有遷移性高、難生物降解等特點(diǎn)，可以嘗試通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)填料，選取吸附效果更強(qiáng)的填料提高吸附效率，也可以針對(duì)特定的難處理抗生素培養(yǎng)專一的微生物細(xì)菌，提高微生物處理效率。只有真正的達(dá)到出水抗生素去除率為100.00%，才能真正的起到保護(hù)環(huán)境、保護(hù)人類健康的目的。

今后的研究中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注SAT系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定可靠的去除抗生素的方法，這包括對(duì)SAT系統(tǒng)去除抗生素的機(jī)理，SAT系統(tǒng)中填料吸附作用和生物降解作用之間的平衡調(diào)節(jié)，以及對(duì)特定土壤滲濾系統(tǒng)去除抗生素功能的強(qiáng)化改進(jìn)等，都還需要進(jìn)一步的深入研究；當(dāng)然，SAT系統(tǒng)與高級(jí)氧化技術(shù)的組合工藝也是非常值得進(jìn)一步探索的方向之一。