（环境工程专业论文）城市污水中典型ppcps高效降解菌的筛选及其降解特性研究.pdf

醚量 城市污水中典型p p c p s 高效降解菌的筛选及降解特性研究 城市污水中典型p p c p s 高效降解菌的筛选及降解特性研究 摘要 近年来，一类新型的微量污染物质一药品及个人护理用品 ( p p c p s ) 逐渐引起人们的重视，并发展为全球热点问题。国内外的 一些研究表明，部分p p c p s 可能对人类及其他生物产生毒理学效应 或致癌可能性。我国作为世界上最大的药品和个人护理品的使用国之 一，控制生活污水中的典型p p c p s 显得极其重要。 本论文从松江区污水处理厂的曝气池中筛选分离出两株能对典 型p p c p s 进行生物降解的高效菌株，并通过p c r 扩增和1 6 sr d n a 测序对其进行提纯和菌种鉴定。考察在不同的外界因素下，菌株的生 长以及其对目标物的降解。并在此基础上，考察了菌株投加到实际工 艺中对目标物及常规污染物的去除状况。 论文首先建立了固相萃取( s p e ) 高效液相色谱法( h p l c ) 对 目标物进行检测，通过优化固相萃取条件和色谱条件，分别建立了水 环境中两种典型p p c p s 的定量分析方法。其中炔雌醇的最佳色谱条 件为：流动相为乙腈：水= 6 0 ：4 0 ( v ：v ) ，温度为3 0 ，流速为 1 o m l m i n ，检测波长为2 8 0 n m 。吐纳麝香的最佳色谱条件为：流动 相为乙腈：水= 5 0 ：5 0 ( v ：v ) ，流速为1 m l m i n ，柱温为3 0 ，检测 波长为2 4 2 n m 。 然后，从污水处理厂的曝气池中筛选出两株好氧活性污泥中分离 筛选出两株典型p p c p s 的高效降解菌，分别是降解炔雌醇的高效菌 t 东华人学硕十学位论文 株d e 7 和降解吐纳麝香的高效菌株d a 5 。通过菌种形态特征及1 6 s r d n a 序列分析对其进行初步鉴定，确定d e 7 为贪铜菌属 ( c u 埘a v i d u s ) ，d a 5 为产碱杆菌属( a 1 c a l i g e n e s ) 。为探究菌株d e 7 和菌株d a 5 的降解特性，考察了不同温度、p h 及初始底物浓度条件 下两株菌对目标物的降解效果。结果表明，当温度为3 0 ，p h 值为 6 5 7 0 ，摇床振荡速率为1 6 0 r m i n ，菌株d e 7 在含2 5 m g l 炔雌醇的 无机培养基中培养5 天后，可使炔雌醇的降解效率达到8 2 左右；当 温度为2 0 2 5 ，p h 值为7 时，摇床振荡速度为1 6 0 r m i n ，菌株 d a 5 在含6 m g l 吐纳麝香的无机盐培养基中培养5 天后，对吐纳麝 香的最高降解效率为5 2 。 最后，本文研究了s b r 工艺对生活污水中典型p p c p s 的去除效 果。在进水水温为室温，p h6 8 7 2 ，溶解氧维持在5 m g l 的条件下， 常规污染物和两种典型p p c p s 的去除率均随水力停留时问的增大而 逐渐上升，随碳氮比的增大而逐渐减小。当水力停留时问为l o h 、碳 氮比为1 0 0 ：2 0 时，反应器对c o d 和氨氮的去除率最好，最高降解效 率可分别达到8 8 和7 7 6 。其中投加高效菌的2 号反应器对典型 p p c p s 的去除效率明显的提高，这说明高效菌的投加发挥了作用，其 对炔雌醇和吐纳麝香的最高去除率分别可达到9 2 和6 4 。 关键词：炔雌醇；吐纳麝香；筛菌；降解；s b r 憋量 撕谢灿唧。高效降删撇及降解黼航 一一一 s t u d yo ni s o l a t i o no f ab a c t e r i a ls t r a i nc a p a b l eo ft y p i c a l p p cp sa n di t sd e g r a d a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，p e o p l es t a r t e dt op a ya t t e n t i o nt oi m p a c to f t r a c ec o n t 锄1 n a n t s p h a m l a c e u t i c a l sa n dp e r s o n a lc a r ep r o d u e t s ( p p c p s ) o n t h ee n v i r o n m e n t ，w h i c hw a s d e v e l o p di n t o9 1 0 b a lh o ts p o t s s t u d i e ss h o w e dt h a ts o m ep p c p sh a dt o x i c o l o 舀c a l e f f e c to nh u m a n sa n do t h e ro r g a n i s m so rh a dc a r c i n o g e n i cp o t e n t i a l c h i n a ，a sm e w o d d s1 a r g e s tu s e ro fp p c p so ft h ec o u n t “e s ，c o n t r o l l i n gp p c p s6 o ms e w a g ew a s p a n i c u l a r l yi m p o n a n t t l l i sp a p e rw e r ec o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t em er e m o v a lp r o p e n yo ft w ot y p i c a l p p c p s t w ob a c t e r i a ls t r a i n sc a p a b l eo ft y p i c a lp p c p sw e r ei s 0 1 a t e d 仔o ma e r o b i c a c t i v a t e ds l u d g e ，t h e na c c o r d i n gt om em o 印h o l o 西c a lc h a r a c t e ra n d16 sr d n a 萨n e s e q u e n c i n ga n a l y s i s ，m es t r a i n sw e r ei d e n t i f i e d 0 nm eb a s eo fp r e v i o u sr e s e a r c h ， t e m p e 巾j r e ，p ha n d i n i t i a lc o n c e n t r a t i o nw e r ee x a m i n e dt or e s e a r c ht h e b i o d e 灯a d a t i o nc h a m c t e r i s t i c s o ft h et w os t r a i n s f u n h e n l l o r e ， t h ea d s o 印t i o n c h a m c t e r i s t i c so ft r a c et y p i c a lp p c p sb yt h es l u d g ei nt h es b rr e a c t o r sw e r e i n v e s t 培a t e d f i r s t l y ；aq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sm e t h o dh a sb e e nd e v e l o p e df o rd e t e n n i n a t i o no f t y p i c a lp p c p si na q u e o u se n v i r o n m e n tb yu s i n gs 0 1 i d p h a s ee x t r a c t i o nc o u p l e dt o h i 曲p e r f o 咖a n c el i q u i dc h r o m a t o 铲a p h y ( h p l c ) t h eo p t i m a lc h r o m a t o 伊a p h i c c o n d i t i o no fe e 2w a sd e s c r i b e d ：t h em o b i l ep h a s ew a sa c e t o n i t r i l e ： w a t e r = ( 6 0 ：4 0 ， v v ) ，t h ec 0 1 u m nt e m p e r a t u r ew a s3 0 ，c u 玎e n tv e l o c i t y 1 0m l m i na n dd e c e c t i o n w a v e l e n 舀hw a s2 8 0 n i no nt h eb a s i so ft h ep e a k sa p p e a r a n c et i m e t h eo p l i m a l c h r o m a t o g r a p h i cc o n d i t i o n o fa h t nw a sd e s c r i b e d ：t h em o b i l ep h a s ew a s a c c t o n i 埘1 e ：w a t e r = ( 5 0 ：5 0 ，v 厂v ) ，t h ec 0 1 u m nt e m p e r a t u r ew a s3 0 。c ，c u r r e n tv e l o c i t y 1 0m i m i na n dd e t e c t i o nw a v e l e n 垂hw a s2 4 2 n mo nt h eb a s i so ft h ep e a k s a p p e a r a n c et i m e t _ 1 1 e n ， a e t h i n y l o e s t r a d i 0 1d e g r a d i n gb a c t e r i a l s t r a i na n dat o n a l i dd e g r a d i n g b a c t e r i a ls t r a i nw e r ei s 0 1 a t e df - r o ma e r o b i ca c t i v a t e ds l u d g e ，t h et w os t r a i n sw e r e n 锄e dd e 7a n dd a 5r e s p e c t i v e l y a c c o r d i n gt ot h em o 印h 0 1 0 9 i c a lc h a r a c t e ra n d16 s r d n ag e n es e q u e n c i n ga n a l y s i s ，t h es t r a i nd e 7w a si d e n t i f i e da sg e n u sc u p r i a v i d u s a n dt h es 仃a i nd a 5w a si d e n t i 6 e da sg e n u sa 1 c a l i g e n e s i no r d e rt or e s e a r c ht h e 尔华人学硕十学位论文 b i o d e 黟a d a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h et w o s t r a i n s ，t e m p e r t u r e ，p h a n di n i t i a l c o n c e n t r a t i o nw e r ee x a m i n e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t 、v h e nt e m p e r t u r ew a s3o ，p h w a sb e t w e e n6 5t o 7 0 ，r o t a t i o ns p e e dw a s16 0 r m i n ，i n i t i a lc o n c e n t r a t i o nw a s 2 5 m l ，a b o u t8 2 e e 2w a sd e 铲a d e db yd e 7 a n dw h e nt e m p e r t u r ew a sb e t w e e n 2 5 t o3 0 ，p hw a s7 0 ，m t a t i o ns p e e dw a s1 6 0 r m i n ，i n i t i a lc o n c e n t r a t i o nw a s 6 m l ，a b o u t5 2 e e 2w a sd e 伊a d e db yd a 5 a tl a s t1 a b s c a l e e x p e r i m e n l sw e r ec o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t em er e m o v a l e 伍c i e n c yo ft y p i c a lp p c p sb ys b rp r o c e s s w h e nt h ew a t e ri n p u tt e m p e r a t l 】r ew a s r o o mt e m p e r a t u r e ，p hw a sb e t w e e n6 8t o7 2 ，d 0w a s5 m l ，t h ea v e r a g er e m o v a l e 衢c i e n c yo fc o n v e n t i o n a lp o l l u t i o na n dt y p i c a lp p c p si n s c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo f h i u a 1 1 dd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fc 烈、矶l e nt h eh i u w a s1o ，c ，nw a s5 ，t h e r e m o v a le 伍c i e n c vo fc o da n dn h 4 一nw a sb e s t ，t h er e m o v a lr a t ew a s8 8 a n d7 7 6 r e s p e c t i v e l y ：t h er e m o v a le f h c i e n c yo ft h et y p i c a lp p c p sw a so b v i o u si n c r e a s e di n t h en o 2s b rr e a c t o r - w h i c hw a sa d d e dt h ee 伍c i e n ts t r a i n s t h eb e s tr e m o v a l r a t eo f e t h i n v l o e s t r a d i o la 1 1 dt o n a l i dw a s9 2 a n d6 4 k e yw o r d s ：e e 2 ；a h t n ；s t r a i ns c r e e n i n g ；d e 伊a d a t i o n ；s b r i v 稳缝 城市污水中典型p p c p s 高效降解菌的筛选及降解特性研究 第一章绪论 近年来，随着人们生活水平的提高，对水资源的要求越来越高，城市污水中的痕量污 染物日益受到重视。而药品及个人护理用品( p h a r n l a c e u t i c a l sa 1 1 dp e r s o n a lc a r ep r o d u c t s ， p p c p s ) 作为一类“新型”的痕量物质，引起了科学界和公众的广泛关注。1 9 9 9 年c s t i a n g d a u g l t o n 和t h o m a sa t e m e s 发表了第一篇关于p p c p s 的文献综述一p h a n n a c e u t i c a l sa n d p e r s o n a lc a r ep r o d u c t si nt h ee n v i r o n m e n t ：a g e n t so fs u b t l ec h a l l g e ? ，标志着相关研究的开 始，随后2 0 0 0 年在北美召开了第一次相关会议，并出版了配套的会议论文集【lj 。 目前，p p c p s 的环境污染问题已经成为国际上的研究热点问题之一，近十年来国外已 经发表了一系列相关文献，美国环境保护总署( e p a ) 甚至在其官方网站上丌设了专门介绍 p p c p s 研究进展的主页( h t t p ：w w w 印a g o v p p c p ) 。但在我国，有关这一方面的研究尚处于 起步阶段，相关文献资料并不多见。而我国人口众多，p p c p s 的生产和使用总量一直居世 界前列，因此针对p p c p s 的一系列基础性研究工作迫在眉睫。 1 1p p c p s 简介 1 1 1p p c p s 及其在环境中的存在 p p c p s 是药品和个人护理用品( p h a m a c e u t i c a l sa n dp e r s o n a lc a r ep r o d u c t s ) 的英文缩写， 其种类繁多，主要包括各种处方药和非处方药( 如抗生素、类固醇、消炎药、镇静剂、抗 癫痫药、显影剂、止痛药、降压药、避孕药、催眠药、减肥药等) 以及各种日常护理用品 ( 如香料、化妆品、遮光剂、染发剂、发胶、香皂、洗发水等) 【2 1 。环境中常见的p p c p s 如表1 1 所示。 最近几年，p p c p s 不断被检出，在不同国家和地区的水体、土壤、污水和污泥等中均 检测到了n l u l 水平的p p c p s 【2 - 3 。日本、德国、瑞典、法国、意大利、美国等国家的 研究发现，城市污水处理厂的出水中存在不同种类和浓度的p p c p s ，这是由于各国的自然 条件及污水处理情况不同而导致的。美国、瑞士和荷兰检测到污泥中的香料浓度为1 5 1 4 7 ug l ( g ( 干重) ；美国和荷兰一些污水处理厂一污泥中溴代二苯醚( b r o m i n a t e dd i p h e n y l e t h e r s ) 的 含量为3 2 48 9 0u k g ( 于重) 。目前环境中所检测出的药品种类已超过8 0 种，甚至个别地 方的饮用水中也检测到n l 水平的药品剩余物【4 1 。 尔华人学硕十学位论文 1 1 2p p c p s 的来源 城市水环境中p p c p s 的主要来源是生活污水、工业生产、医院废水等已处理水的排放； 农业、畜牧业、水产业废水的直接排放或地下渗滤；过期药品及化妆品的处理等【5 】。 ( 1 ) 生活污水 市政生活污水是p p c p s 的最主要来源。医药品经人体或动物摄入后，只有少部分发生 代谢，大部分以原形直接排入到污水中；另外，药物的代谢产物也会随尿液或粪便进入生 活污水；个人护理品则伴随沐浴、游泳等活动进入排污管后汇入生活污水【6 】。 ( 2 ) 工业废水 p p c p s 工业生产废水的排放也不可轻视。由于缺乏先进的监测手段和严格的排放标准， 生产过程中大量的p p p c s 伴随着废水排入到环境中。尤其是发展中国家，承担着世界上大 多数p p c p s 或其原料的生产，而传统的处理工艺又缺乏针对性。因此p p c p s 制造业所产生的 污染可能更为突出j 。 ( 3 ) 医疗废水 医用p p c p s 主要有激素类药物、抗生素和调节血脂类药物，其中抗生素是目前使用最 为广泛的药物引。特别是我国，由于在抗生素及消炎类药物的使用上没有明确的规定，与 世界其它国家比，我国已成为世界上滥用抗生素最为严重的国家之一。 ( 4 ) 农、i e 生产 0 憋曼 城市污水中典型p p c p s 高效降解菌的筛选及降解特性研究 畜禽、水产养殖以及动物的饲养对p p c p s 的需求量十分巨大，尤其是在大型的集中型 饲养场，药物的使用种类和剂量都非常巨大。比如，为了增加产量，提高效益，世界范围 内几乎所有的地区都使用抗生素来刺激动物生长，并且防止动物感染性疾病 9 1 。有些地区 甚至由于过量使用抗生素，导致动物抗生素蓄积中毒。 1 1 3p p c p s 的理化性质 由于p p c p s 种类繁多，不同的组分之间具有不同的结构和性质。有些呈现酸性，如布 洛芬、消炎痛、萘普生等，有些呈现中性如安替比林、痛可宁、环磷酰胺等 1 0 】。通常来说， p p c p s 有很多官能团，例如羧基、醛基和氨基等，这使得p p c p s 组分和固体物质的结合能 力及其自身的降解行为依赖于p h 或其他的固相基质组分。例如，p p c p s 组分在固相表面的 吸附和物化处理过程中的转化取决于其亲脂性或酸性【l l 】。 与传统持久性有机污染物( p o p s ) 不同，大部分p p c p s 极性强、易溶于水且难挥发，从 而阻止了它们像p o p s 一样发生“全球蒸发”的行为，因而p p c p s 在环境中的分布将主要 通过水相传递和食物链扩斟1 2 】。尽管p p c p s 的半衰期短、浓度低，但是由于个人和畜牧业 大量而频繁地使用，导致p p c p s 连续的输入到环境中，呈现出一种“伪持续”的状态 】3 】。 随着p p c p s 长期源源不断地输入，水生生物将会遭受p p c p s 类物质的永久性暴露，部分具 有生物积累性的物质还可能通过食物链传递。因此有必要对p p c p s 的存在现状和生态环境 影响进行更广泛深入的研究。 1 2 典型p p c p s 的生态毒性 通常条件下，环境中的p p c p s 浓度很低， 中，它们对生物存在着慢性毒性的潜在可能。 转的改变14 1 。 1 2 1 人工合成雌激素的危害 不易引起急性毒性，但由于长期存在于环境 这些毒理效应不断累积，最终会产生不可逆 环境雌激素散布在人类和动物的生活环境之中，其浓度虽然不高，但具有长期性、多 因素联合作用性、危害广泛性、环境中变化复杂性和健康损害多样性的特点，被人或动物 摄入体内后，通过不断积累和富集，逐步造成较大的危害。野生动物调查显示，环境雌雌 激素可引起贝类、鱼、鸟和哺乳动物生育能力下降、性别畸形，引起雄性化、雌性化或双 性化；卵的孵化率下，使子代存活率下降进而使某些动物灭绝。美国和英国的研究人员也 尔华人学硕十学位论文 发现，在污水处理厂和工厂排污口附近水体中出现了野生鱼类性别错乱、大量青蛙畸形等 不正常现象。研究人员认为，环境激素是丰要的凶手1 5 。此外，雌激素还可以在生殖系统、 神经系统甚至免疫系统等方面影响人类的健康。主要表现在：对男性生殖和发育的危害尤 为突出；与肿瘤的发生可能存在一定的影响。目前有甚至学者认为，环境雌激素的危害同 地球变暖、臭氧层遭到破坏一样，已成为影响全球环境的大问题 1 6 。 1 2 ，2 合成麝香类化合物 人体暴露于多环麝香主要有以下几种途径：呼吸道吸入、皮肤吸收，以及摄入污染后 的食物，主要是受污染的鱼类。对于刚出生的婴儿，其最主要的暴露途径是摄取污染后的 乳汁。多环麝香进入人体后，通常富集在脂肪组织、肝脏和其他一些富脂肪组织中【l7 1 。 目前，对多环麝香毒副作用的研究很少，现有的实验结果认为其对人类的毒理学效应 主要表现在环境激素效应、遗传毒性效应、生理生态毒性几方面。b i t s c h 等在研究中发 现吐纳麝香能显著促进人体胸腺癌细胞m c f 一7 繁殖，而且还表现出一定的雌激素活性【埔】， 但是目前关于人工合成麝香到底是不是环境激素还存在争议。此外，流行病学研究发现， 摄入大量的多环麝香可以引发哮喘、过敏症、偏头痛等，甚至会对荷尔蒙造成干扰作用。 而在化妆品厂工作的工人哮喘发病率最高，可见多环麝香的污染可能与人类的职业暴露有 关 1 9 】。 1 2 3 其它p p c p s 类化合物 清洁剂和消毒剂这类物质虽然能够有效地杀灭病菌，但其在环境中达到一定浓度时， 便会对水生生物表现出毒性作用，比如导致动物的生殖失败和人类的流产等，甚至可能导 致生殖器官癌变【2 。 此外由于目前抗生素的滥用，使动物体内逐渐产生了抗药性，肉、蛋品中也有大量残 留。人类食用了这类食品后，健康自然会受到影响。人体内耐药菌不断增加，耐药性不断 增强，从而在感染了传染性疾病后，一般很难治愈。有研究表明，长期摄入氨基苷类抗生 素残留的动物性食品还可引发过敏反应、损害听力、肾脏等【2 1 1 。 总之，目前科学界已经达成了广泛的共识：水环境中残留药物的出现对于人类健康和 水生生物的不利影响很可能会大幅度增加。虽然在生命周期内连续接触了低浓度的p p c p s 。糕缝 城市污水中典型p p c p s 高效降解菌的筛选及降解特性研究 后，一些水生无脊椎动物和脊椎动物只受到了一些或者说是微小的影响，但是这些影响在 慢慢地积累，最终会导致一个在几代人之后才会被注意到的不可逆危害，并影响到水生生 物种群的可持续发展口2 。 1 3 水环境典型p p c p s 的去除方法 不同p p c p s 的化学结构及特性不同，其在污水中的降解行为也不一样。目前，并没有 号门针对p p c p s 的处理工艺，有关这方面的去除手段的研究也主要集中在对现有污水处理 工艺和饮用水净化工艺的改进，以及新工艺的开发方面。 1 3 1 混凝一絮凝法 混凝絮凝是去除饮用水中p p c p s 组分的常规处理方法之一，该法的处理效果与p p c p s 的理化性质相关。s n v d e r 等2 3 1 研究证实，混凝絮凝仅对能黏附颗粒物的亲脂性p p c p s 组 分和含有高有机碳的胶体物质有效。另外，由于范德华力的作用，带有正电荷的p p c p s 组 分也易于和胶体物结合 2 4 1 。 t e m e s 等【2 5 】采用三氯化铁作混凝剂对德国莱茵河的天然水进行混凝和沉淀实验，结果 表明，在p h = 7 8 时，苯扎贝特、卡马西平、氯贝酸、普里米酮并没有得到明显去除。a d 锄s 采用铝盐和铁盐混凝剂对选定的抗生素样品进行同样的烧杯实验，去除率小于5 ，几乎没 有效果；而采用混凝剂p a c 2 m l 对密西西比河水作实验时，对抗生素也只有2 0 3 0 的去除率，作者分析这其中可能还有水中自然絮凝剂，如粘土的作用【26 l 。由此可见，该项 常规处理工艺很难有效的去除p p c p s 。 1 3 2 高级氧化技术 高级氧化技术通过产生氧化性很强的自由基( 主要是一o h ) ，实现p p c p s 的完全降解或 提高其可生化性。饮用水处理过程中使用的氧化剂通常是臭氧、氯和二氧化氯，目前0 3 及其联合技术是研究最多的氧化技术。由于p p c p s 电子特性不同，臭氧氧化法处理水中的 p p c p s 是有选择性的。抗生素与臭氧有很好的反应性，因为在抗生素分子中有一个或多个 电子供体摹团，如碳碳双键、活性芳香环体系、硫原子等。h u b e r 使用2 m l 的臭氧对活 性污泥法和膜反应器m 水中的大环内酯类和磺胺类抗生素进行实验，其降解效率均在9 0 尔华人学硕+ 学位论文 以上【2 。而其它药物( 如抗惊厥药、退烧药非类固醇消炎药) 由于其结构多样性以及缺乏 相同的活性官能团，与臭氧反应时有不同的反应活性。如萘普生由于含有萘环和甲氧基， 能够被臭氧高效的降解2 8 2 9 】；布洛芬与臭氧只有中等的反应活性2 7 1 。 c 1 0 2 和u v 一般作为饮用水的消毒剂使用，也可用于氧化去除污水中的p p c p s 。二氧 化氯可有效去除饮用水中酚类或含有氨基的p p c p s 组分。d o d d 等对氯氧化法去除饮用 水中的磺胺甲恶哇( s m x ) 及其他磺胺药物抗生素进行了研究，结果表明，氯氧化可有效去 除饮用水中的该类p p c p s 组分；然而对其他类药品，如抗肿瘤药、血脂调节药、显影剂的 氧化去除能力很弱。u v 去除p p c p s 的效率通常不高，并且随物质而异，只能有效降解一 些p p c p s 。k i m1 1 3 1 】研究了不同波长的u v 对3 0 种药物的降解情况，u v 对这些药物的降解 效率变化很大，只有双氯芬酸、磺胺甲恶哗等少数几种药物降解效率超过8 0 ，立定痛、 克拉霉素等降解效率很低。虽然高级氧化法可以有效地去除水中的p p c p s ，但其工程造价 高，且目前有关降解产物的毒理性还不是十分明了，因此该法的使用在实际应用中仍然有 一定的限制。 1 3 3 膜过滤与活性炭技术 膜过滤工艺是通过分子截留作用将微污染物截留而去除，主要微滤( m f ) 、超滤( u f ) 、 纳滤州f ) 、反渗透( r o ) ，其去除效率在很大程度上依赖于化合物的结构和膜的特性。由于 微滤和超滤膜孔径相对较大，不能有效截留水中的p p c p s 【32 1 ，因此纳滤和反渗透是最常用 于处理p p c p s 的工艺。r a d i e n o v i c 【3 3 等采用纳滤和反渗透对饮用水中的几种典型药物进行 去除研究，结果表明n f 和r o 对药物的去除率很高，几乎所有的药物的去除率都高于8 5 ， 其中酮洛芬、双氯芬酸、磺胺甲恶唑最高，大于9 5 。此外，多种膜工艺的组合应用能达 到更好的截留率，s n v d e rs 闭研究表明单独使用超滤膜处理二级出水时，大多数化合物没 有被截留，而超滤膜后再加反渗透处理后，几乎所有药物都在检测限以下；未消毒的二级 出水经过微滤膜和双重反渗透膜处理后，所有药物的浓度都低于1n l 。 以往用活性炭吸附处理污染物的研究中，大多是关于吸附金属、染料、苯酚化合物以 及内分泌干扰素，关于吸附p p c p s 的研究很少。现在的一些研究证实由于p p c p s 大多含有 易于被吸附的苯环和胺基基团，因此活性炭吸附能有效去除p p c p s 。t e m e st “2 5 】研究了颗 粒状活性炭对地下水中p p c p s 的去除情况，能高效去除笨扎贝特、立定痛、双氯芬酸和氯 6 聪缝 城市污水中典型p p c p s 高效降解菌的筛选及降解特眺研究 贝酸，而对氯贝酸的吸附量相对更低。而m e s t r eas 3 5 1 利用软小加工业产生的软木屑，经 碳酸钾化学活化和氮蒸汽物理活化后，得到两种活性炭c a c 和c p a c ，并且用这两种活性 炭吸附布洛芬，去除效率都大于9 5 。没有副产物产生是膜过滤和活性炭吸附的主要优点， 7 但是这两种方法一般只适合于处理相对干净的地表水和含较少天然有机物的地下水，而且 还要考虑除膜截留物以及活性炭再生的问题。 1 3 4 生物处理 微生物降解污染物的途径一般有两种【3 6 ：一是矿化作用，即有机污染物在一种或多种 微生物作用下彻底分解为二氧化碳、水和简单的无机化合物的过程；二是共代谢作用，即 一些难降解污染物不能直接作为碳源或能源被微生物利用，但当有其他可利用的碳源或能 源物质( 称为初级基质) 存在时，难降解污染物( 称为第二基质或共代谢基质) 才能被利用。 对于p p c p s 的生物降解，在城市污水处理系统中，不同的生物构筑物对其处理的程度 也有所不同。硒m u r a 用四种不同工艺对污水中的布洛芬、萘普生、双氯芬酸和酮洛芬等进 行生物降解性研究。四种工艺为：脉动混合分离( j m s ) 、复合式膜生物反应器( h m b r ) 、 常规膜生物反应器( c m b r ) 、传统活性污泥工艺( c a s ) 。结果表明布洛芬、萘普生、酮洛 芬、降固醇酸可生物降解性很高。在被测试的几种药品中，只有双氯芬酸不被任何处理工 艺降解。其中萘普生在h m b r 中的去除效果明显优于j m s 和c a s ；酮洛芬在h m b r 和 c m b r 中的可生物降解性要高于j m s 和c a s 37 1 。 污泥龄也是影响p p c p s 去除效果的关键因素之一。研究者对一些p p c p s 物质的生物处 理效果进行了研究，结果发现在以去除营养物为主要目的城市污水处理系统中( 污泥龄 1 0d ) ，大多数p p c p s 都能被部分去除，而在以去除化学需氧量( c h e m i c a lo x y 2 e nd e m a n d ， c o d ) 为主要目的的系统中，p p c p s 的生物转化还是非常有限的。g 0 b e l 等人发现在污 泥龄大大超过1 5 d 的时候，可以观测到一定数量的化合物( 如壬基酚，甲氧苄啶等) 得到了较 大程度的去除。 有关去除p p c p s 的微生物种群和酶降解机理还不十分明确，有研究表明硝化菌对微污 染物的转化非常活跃，f 日目前无法证明自养硝化菌和许多p p c p s 的去除是否需要相同的泥 龄。所以如何控制丁艺参数和环境条件，获得高效的p p c p s 去除效率，是p p c p s 生物降解 技术亟待解决的问题。 东华人学顶十学位论文 1 4 水环境中典型p p c p s 的检测方法 p p c p s 的种类繁多，浓度低，理化性质各异，而环境介质又十分复杂，因此建立高灵 敏、高特异性的分析检测成为p p c p s 研究领域的另一个热点。国外早于2 0 世纪9 0 年代就 对p p c p s 进行研究，而目前我国在这一方面的研究还不多，尚处于起步阶段。随着人类对 环境分析要求的不断提高，开发更加有效和准确的仪器分析技术是未来发展的必然趋势。 1 4 1 样品富集浓缩 由于水环境中p p c p s 的浓度含量低，般在n g l u l 的范围内，所以在进行检测之 前必须先对水中目标污染物质通过萃取的方法进行富集。用于水中抗生素检测的预处理方 法主要有以下几种： ( 1 ) 液液萃取( l l e ) 该法是很早以前采用的方法，可用于液体样品中非极性和半极性的分析物。常见的方 法有索氏提取法和溶剂萃取法两种。该法的优点是操作简单、适用范围广、回收率高；其 缺点是溶剂大多有毒且消耗量大、净化时间长1 39 i 。 ( 2 ) 固相萃取( s p e ) 为了克服液液萃取的缺点，科学家提出了许多新的改进方法。固相萃取( s p e ) 就是 其中之一，它基本原理与液液萃取相似，都是基于样品在两相问的分配差异，不同的是， 固相萃取利用固体吸附剂将液体样品中的目标化合物吸附，与样品的基体和干扰化合物分 离，然后再用洗脱液洗脱或加热解吸附，达到分离和富集目标化合物的目的j 。 目前，固相萃取因为其造价低、可操作强被广泛的应用，它主要具备以下优点一l j ：耗 费的有机溶剂少，可有效减少对环境的二次污染；萃取时间短，且一次可同时处理多个样 品；固相萃取柱类型多样，可根据不同情况进行选择；处理样品量不受限制，既可以处理 小体积样品，又可以处理大容量样品。 ( 3 ) 固相微萃取( s p m e ) 固相微萃取法是建立在固相萃取基础上的崭新的方法 4 2 】。其固相萃取柱一般由石英毛 细管的片段组成，其内表面涂覆一层萃取相，气体或液体样品流经毛细管，分析物即萃取 到毛细管表面涂层上，然后经热解析或流动相解析进行检测。 它几乎克服了传统样品处理方法的所有缺点，无需有机溶剂、简单方便、测试快、费 用低，集采样、萃取、浓缩、进样于一体，能够与气相或液相色谱仪联用，可手动和自动 操作，使得样品处理技术及分析操作简单省时。 醮雾 城市污水中典型p p c p s 高效降解菌的筛选及降解特性研究 1 4 2 高效液相色谱法( h p l c ) 高效液相色谱法可以与多种检测器联用，适用于多种样品的分析，是目前广泛应用的 种理化检测方法。该法在技术上采用了高压泵，高效固定相和高灵敏度检测器，实现了 分离速度快、效率高和操作自动化。目前，高效液相色谱在大多数p p c p s 指标成分测定、 浓度监测等方而被广泛使用，如布洛芬、卡马西平、阿莫西林、环境中各种激素类物质均 可以应用高效液相色谱检测【4 jj 。 高效液相色谱的检测器类型多样，主要有高效液相紫外检测色谱法、高效液相一质谱检 测色谱法、高效液相蒸发光散射检测色谱法、高效液相一荧光检测色谱法以及高效液相其 他检测色谱法。其中紫外检测器是高效液相色谱应用最普遍的检测器，在目前的研究分析 报道占高效液相色谱法的8 0 以上 矧。目标物一般有共轭双键或芳香环等基团，对特定波 长的紫外光有吸收，这样可同时对分离组分进行定量和定性的分析，获得有效信息。但是 由于废水性质复杂，应用紫外检测器定性时有时不够精确，而液质联用则更加可靠。 高效液相色谱法中的有机溶剂流动相常选择为甲醇、乙腈或者和水的混合液，这是由 于二者的紫外吸收波长小于2 0 0 n m ，不会影响其他p p c p s 类化合物质的检测【4 5 】。注意流动相 的p h 值，p h 值过高或过低，都会影响系统的色谱柱的使用，一般以中性为宜。 随着液相色谱技术的改革，出现了超高效液相色谱技术( u p l c ) 、液相色谱质谱连 用技术等新技术【46 i 。这些技术可以更加广泛的应用于结构分析和复杂机体的定性定量分析。 但是由于这些新技术在造价上相对于经典高效液相色谱法较昂贵，目前并没有得到广泛深 入的使用，不过作为强有力的分析工具，它在分析研究中发展前景十分广阔。 1 4 3 气相色谱质谱法( g c m s ) g c m s 是最常用的检测易挥发和半挥发性有机物的高灵敏度方法，可以同时进行定量 和定性分析，并能满足痕量有机物分析的要求。虽然气相色谱质谱法的发展时间不长，但 其已成为现代分析检测技术的代表，并且目前有相当丰富的技术知识作为支持。 气相色普工作原理是利用试样中各组份在气相和固定相间的分配系数不同，当汽化后 的试样被载气带入色谱柱中运行时，这些组份就在其中的两相间进行反复多次的分配，根 据各组份在色谱柱中的运行速度不同而被彼此分离，从而在记录器上描绘出各组份的色谱 峰 4 7 。 虽然高效液相色谱法具有高灵敏度、高效能、速度快、所需试样量少，但由于气相色 谱质谱法需要复杂的衍生化步骤，因此限制了其在环境中p p c p s 的检测应用，目前更多用 于羟基甲酮、麝香、麝香酮等这类易挥发、不用衍生化物质的检测4 8 1 。 东华火学硕f j 学位论文 1 5s b r 处理工艺的研究 上世纪7 0 年代初，在美国自然科学基金资助下，r i 州n e 教授等人发起了间歇式活性 污泥法的研究，并于1 9 8 0 年在印第安纳州正式启动，取得了令人满意的效果f 4 9 1 。此后，在 日本、美国、澳大利亚、东南亚等国都相继展开了大量的相关研究。间歇式活性污泥法又 被命名为序列间歇式反应器( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 或序列间歇式( 序批式) 活性污泥法， 简称s b r 法。我国于1 9 8 5 年在上海吴淞肉联厂投产建成了第一座s b r 废水处理设备，设 计处理水量2 4 0 0 t d ，运行处理效果良好。 1 5 1s b r 反应器的工作原理 s b r 工艺的污水处理机理与传统的活性污泥法相似，是一种利用微生物的代谢作用降 解有机物的过程。而s b r 法与传统处理工艺的最大区别在于它是以时间顺序来分割各流程 单元，一个完整的s b r 运行操作如图1 1 所示，从废水注入开始到待机时间结束为一个周 期，包括充水期、反应期、静止期、排水期、闲置期。整个过程都在一个设有曝气或搅拌 装置的反应池内进行，集曝气池、沉淀池于一体，不需设置二沉池及污泥回流泵设备，也 无需设初沉池p 。 进木 撸水 百圈曰酉刮 进水期 反应期 沉降期排水期 闲置期 图1 一ls b r 工艺流程图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs b rp r o c e s s ( 1 ) 进水期。在废水注入之前，反应器处于最后的闲置期( 或待机期) ，此时处理后 的废水已排放，反应器内残存着高浓度的活性污泥混合液。因此，从这个意义上说，反应 器起到调节池的作用，从而使反应器对水质、水量的变动有一定的适应性。 ( 2 ) 反应期。这是本工艺最重要的一道工序。废水注入到规定的体积后，反应开始。 根据废水处理的目的不同，采取相应的技术措施。如废水处理的目的为脱氮除磷，则要进 行曝气，使活性污泥中的微生物充分发挥作用；如以反硝化为处理目的，就应改为缓慢搅 拌。此外，曝气方式、冲水时问、进水的有机负荷及p h 值均会影响到反应的进行，在实 际操作中都需要仔细的考虑。 ( 3 ) 沉降期。该工序相当于传统活性污泥法的二沉池。此时停止曝气或搅拌，使混合 墓臻 城市污水中典型p p c p s 高效降解菌的筛选及降解特性研究 液处于静止状态，活性污泥与废水分离，沉淀时间一般为1 5 2 h 。 ( 4 ) 排水期。经过沉淀后的上清液作为已处理好的出水被排出，反应器底部沉降的活 性污泥作为下个周期的回流污泥使用，过剩的活性污泥随出水排放。 ( 5 ) 闲置期。此时的反应器处于停滞状态，等待下一个周期的开始。一般为了保持污 泥的活性，可进行适当的曝气或搅拌。该工序的闲置时间根据具体情况而定。 1 5 2s b r 工艺的影晌因素 s b r 法作为活性污泥法的一种，其降解过程主要是活性污泥中微生物的代谢过程。因 此在反应中必须充分考虑影响微生物生理生化活动的各种影响因素，其中主要有