人工濕地去除生活污水中類固醇激素

　　人工濕地系統(tǒng)(CWs)是一種模擬自然濕地生態(tài)系統(tǒng)的污水處理系統(tǒng)，通常采用過濾、吸附、沉淀、離子交換、氧化還原、微生物分解等方法。與傳統(tǒng)污水處理技術(shù)相比，人工濕地具有成本低、操作簡單、維護費用低等經(jīng)濟環(huán)保優(yōu)勢。人工濕地系統(tǒng)已經(jīng)被用于處理國內(nèi)的大量廢水、農(nóng)業(yè)廢水、垃圾滲濾液、富營養(yǎng)化水體、采油廢水。激素已被廣泛應(yīng)用于人類疾病的治療和促進牲畜的生長等方面。激素經(jīng)人體或動物使用后不會完全被吸收和代謝，而是以母體或活性代謝物的形式隨糞便或尿液排出，從而對人體健康和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成潛在風(fēng)險。目前，傳統(tǒng)的污水處理廠無法有效去除水中的激素，因此污水處理廠的出水成為了水環(huán)境中激素的重要來源之一。為了有效控制激素在廢水處理源頭的擴散，迫切需要在現(xiàn)有廢水處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化和研發(fā)具有針對性的去除技術(shù)，有效去除激素。多數(shù)人工濕地系統(tǒng)只考慮化學(xué)需氧量(COD)、生物需氧量(BOD)、氨氮(NH+4-N)、總氨(TN)等常規(guī)污染物的去除，因此，發(fā)展高效的激素去除技術(shù)，研究激素的去除機理，對于減少激素的污染具有重要意義。

　　本文分別以牡蠣殼、沸石、麥飯石和陶粒為基質(zhì)，研究12個中試水平潛流人工濕地單元對COD、TN、NH+4-N以及激素的去除效果進行研究。

　　一、材料與方法

　　1.1試劑、實驗材料及儀器設(shè)備

　　28種目標化合物和6種內(nèi)標物質(zhì)的名稱、縮寫、CAS號及分子式如表1所示。試劑：二氯甲烷、甲醇、乙腈、乙酸乙酯和正已烷均為色譜純，購于德國Merk公司和德國CNW公司；甲酸購于美國Tedia公司;乙酸銨購于美國Sigma-Aldrich公司;超純水采用Milli-Q超純水器(Millipore公司，美國)制取。

　　實驗材料：HLB固相小柱(6mL，500mg)購于美國Waters公司;玻璃纖維濾膜(GF/F，孔徑0。7μm)購于英國Whatman公司;尼龍濾膜(13mm×0.22μm)購于上海安譜公司。玻璃器皿使用前先經(jīng)洗潔精洗滌，再用自來水沖洗、超純水水沖洗，經(jīng)干燥箱烘干后置于馬弗爐(400℃)中焙燒4h。

　　儀器設(shè)備：場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM，ULTRA55，GermanyZEISS)、傅里葉變換-紅外光譜儀(FT-IR，TENSORII，英國Bruker)、真空冷凍干燥機(OsterodeamHarz，德國CHRIST)、渦旋混合器(XW-80A，上海精科儀器廠)、離心機(Ananti30，美國Bechman)、氮吹儀(MTN-2800D，天津奧特賽恩斯儀器有限公司)、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(RotavaporR-3，瑞典Buchi)、16孔固相萃取裝置(VisiprepTMDL，美國Alltech)、超高效液相色譜串聯(lián)G6460A三重四級桿質(zhì)譜(UHPLC-MS/MS)(1200系列，美國Agilent)。所有標準樣和相應(yīng)的內(nèi)標樣均溶于甲醇配成100mg/L的單標儲備液，所有儲備液均保存于容積為125mL的窄口棕色試劑瓶中，混合標準樣和混合內(nèi)標樣分別溶于甲醇中配成質(zhì)量濃度為1mg/L的儲備液，保存于容積為20mL的棕色試劑瓶中。工作液則在實驗前由儲備液以小于10倍梯度逐漸稀釋而得。所有儲備液均置于冰柜中-20℃下保存?zhèn)溆谩?/p>

　　1.2中式人工濕地系統(tǒng)的建立

　　采用中試實驗基地的12個中試人工濕地單元進行基質(zhì)種類和水力負荷的優(yōu)化實驗。將每個水平潛流式濕地單元的長、寬、高分別設(shè)定為0.8、0.6、0.8m，基質(zhì)填埋高度設(shè)定為0.65m，污水控制高度設(shè)定為0.6m。本實驗不考慮植物種類對污染物去除效果的影響，在各單元內(nèi)種植2行3列(共6顆)的風(fēng)車草。人工濕地系統(tǒng)所選用的填充基質(zhì)分別為：牡蠣殼、沸石、麥飯石和陶粒;每種基質(zhì)的質(zhì)量分別為：牡蠣殼7.5×104g；沸石5.5×105g；麥飯石4.0×105g；陶粒3.0×105g。水力負荷設(shè)定為：10、20和30cm/d；24h不間斷進水，通過流量計進行濕地系統(tǒng)水力負荷的控制(圖1)。污水來源于約330人的小區(qū)內(nèi)下水道的生活廢水；污水在進入濕地系統(tǒng)單元之前需要進入容積約4.3m3的穩(wěn)定池中進行沉淀操作。該濕地系統(tǒng)通過定時監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)，確定其穩(wěn)定運行一年后，開始進行樣品的采集。

　　1.3樣品的采集

　　12個中試人工濕地單元按照統(tǒng)一命名方式：CW-基質(zhì)名首字母-HLR(水力負荷)，分別進行命名，并用W0、W1、S1等進行編號。例如：濕地進水(W0)、CW-O-10(W1和S1)等，具體信息如表2所示。采集13個采樣總時間為72h的混合水樣，即每個濕地單元每隔8h采集1次，連續(xù)3d共采集9次相同體積的水樣并混合。各單元分別設(shè)置3個出水口(圖1)。從底部出水口收集的水樣用于常規(guī)污染指標和激素去除率的分析。

　　常規(guī)污染指標分析所用水樣裝入潔凈的礦泉水瓶，保存在冰柜(-20℃)中等待分析；激素去除分析所用水樣裝入3支1L容積的棕色瓶裝，每個棕色瓶中加入50mL甲醇(抑制微生物活性)以及適量硫酸(調(diào)節(jié)水樣的pH至3左右，1L水樣加入約0.4mL4mol/L的硫酸)。

　　在水樣采集完成后進行基質(zhì)樣品的采集。從每根基質(zhì)采樣管的每個采樣點取等體積的水樣，將采自9個采樣點的基質(zhì)樣本混合作為混合基質(zhì)樣本，保存于容積為500mL的組織培養(yǎng)瓶中，加入適量的疊氮化鈉(NaN3)來抑制微生物的活性。所有樣品均在4℃冷藏下運輸和存儲，并在24h內(nèi)提取物質(zhì)?；|(zhì)樣品經(jīng)過冷凍干燥后提取激素，然后進行均一化過篩(孔徑250μm)，最后在-20℃、黑暗環(huán)境中保存直至激素提取完畢。

　　1.4前處理及分析方法

　　1.4.1水樣的提取方法使用容積為1L的棕色瓶采集水樣，每個樣品點取3個平行水樣，分別標記-1、-2、-3，經(jīng)70μm孔徑的GF/F濾膜濾去顆粒物。將負載顆粒物的濾膜剪碎，裝入到容積為30mL的離心管中，往離心試管中加入10mL甲醇，渦旋30s，放入超聲清洗器中超聲10min，以3000r/min的轉(zhuǎn)速下離心5min后取上層清液倒入對應(yīng)的1L水樣中;第二次提取濾膜的溶劑為5mL甲醇與5mL甲酸(0.1%，體積分數(shù))，重復(fù)以上超聲、離心和轉(zhuǎn)移上清液等操作步驟。在每個水樣中加入約0.5gNa4EDTA以及激素混合內(nèi)標(T-d3、E1-d4、P-d9、E2-d4、S-d4、Crl-d2)100μL并將溶液混合均勻。加載水樣采用HLB柱(500mg6mL)，加載前用10mL甲醇和10mL水活化柱子;水樣以5~10mL/min的速度流過HLB小柱;加載完水樣，每個棕色瓶均用25mL的5%甲醇水混合溶液潤洗2次;在潤洗后向每個柱子中加入10mL超純水洗去殘留的Na4EDTA。將HLB小柱抽干30~60min，隨后向HLB小柱中依次加入5mL甲醇、4mL乙酸乙酯和3mL二氯甲烷進行洗脫;使用氮氣將洗脫液中的有機溶劑緩慢吹干，使用1mL的Merk甲醇定容，經(jīng)孔徑為0.22μm的有機相濾膜過濾后保存于2mL進樣小瓶中，置于冰箱內(nèi)-20℃下保存，待測。

　　1.4.2基質(zhì)樣品的提取方法采用真空冷凍干燥

　　機凍干后取2g基質(zhì)樣品于容積30mL的離心試管中，加入100μL激素混合內(nèi)標液，置于冷庫中4℃下靜置一晚。次日往離心管中加入10mL甲醇，渦旋20s，超聲15min，以3000r/min轉(zhuǎn)速離心10min，取上清液至容積為300mL的平底燒瓶中，重復(fù)提取3次;加超純水稀釋，定容為300mL，并加入30μL4mmolH2SO4，將pH調(diào)至3。0。采用200mgHLB柱吸附，加載前用10mL甲醇和10mL超純水活化，以5~10mL/min的流速加載稀釋后的提取液。隨后采用25mL甲醇水溶液(5%，體積分數(shù))潤洗平底燒瓶2次。將HLB小抽干30~60min，再向HLB小柱中加入4mL乙酸乙酯(CNW)，進行洗脫，共洗脫3次;使用氮氣將洗脫液中的有機溶劑緩慢吹干，使用1mL的Merk甲醇定容，經(jīng)孔徑為0.22μm的有機相濾膜過濾后保存于容積為2mL的進樣小瓶中，置于冰箱內(nèi)-20℃下保存，待測。

　　1.5儀器分析方法

　　所有目標化合物均采用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(UHPLC-MS-MS)進行分析，其中超高效液相色譜(UHPLC)測試采用Agilent1200型儀器，MS-MS采用Agilent6460A型儀器，采用電噴霧離子源(ESI)、多重反應(yīng)模式(MRM)，色譜柱為AgilentZor￣baxSB-C18(3.0mm×100mm，1.8μm)，柱前端連接1個在線過濾器(2.1mm，0.2mm)，去除流動相和樣品中的細小顆粒物。

　　質(zhì)譜條件：在ESI離子源、正模式條件下，采用甲醇與甲酸+乙酸銨混合液(5mmol乙酸銨+0.05%甲酸)作為流動相，流速為0。3mL/min，進樣量為10μL，柱溫為40℃，霧化器壓力為344kPa，毛細管電壓和噴嘴電壓分別為3500V和0V，干燥氣溫度和流速分別為350℃和8L/min，鞘氣溫度和流速分別為350℃和12L/min。ESI+模式下母離子為[M+H]+。

　　YSI水質(zhì)參數(shù)儀用于濕地系統(tǒng)中水質(zhì)參數(shù)(包括：溫度、pH、溶解氧質(zhì)量濃度ρ(DO)、氧化還原電位和電導(dǎo))的實時監(jiān)測。常規(guī)污染質(zhì)量濃度指標包括ρ(COD)、ρ(TN)和ρ(NH+4-N)測定則采用相應(yīng)的標準方法進行檢測。

　　1.6基質(zhì)的掃描電鏡表征與紅外光譜分析

　　利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對所有基質(zhì)樣品進行形貌表征。采用傅里葉變換-紅外光譜儀對4種濕地基質(zhì)運行前后的表面基團進行分析，樣品采用KBr壓片法制備，分辨率為4cm-1，采用64次累積掃描，波數(shù)范圍為500~4000cm-1。

　　1.7數(shù)據(jù)處理

　　基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過Excel2010進行分析和計算，包括目標污染物的平均值和標準差。激素通量的計算可以反映出不同運行條件下人工濕地單元對激素的去除能力。通過每日進入濕地系統(tǒng)中的激素總通量減去出水中剩余的激素總通量，可以得到該濕地系統(tǒng)單元每天去除的激素總量。水相中激素總量可以根據(jù)激素質(zhì)量濃度與濕地單元流量之積得到，即：

　　Mi=ρiQ，

　　其中，Mi指污染物i在水相中的總通量(g/d或μg/d);ρi指污染物i在水相中的質(zhì)量濃度(mg/L或ng/L);Q指每天流過人工濕地單元水量(m3/d)。人工濕地系統(tǒng)對污染物的去除通量等于進水中污染物質(zhì)通量與減去出水中的污染物質(zhì)通量。

　　質(zhì)量平衡核算可以衡量不同運行條件下人工濕地單元對激素的去除能力。假設(shè)在采樣前各單元都處于穩(wěn)定運行的狀態(tài)。通過質(zhì)量平衡核算可以判斷各污染指標的排放量，從而計算出各污染指標進出濕地單元的流量：

　　M′i=ρiQt，

　　M″i=wiM，

　　其中，Mi′和Mi″分別指污染物i在水相和固相(顆粒、基質(zhì))中的通量(g或μg)；ρi和wi分別指污染物i在水相中的質(zhì)量濃度(mg/L或ng/L)和固相中的質(zhì)量分數(shù)(mg/g或ng/g)；Q指每天流過人工濕地系統(tǒng)的水流量(m3/d)；M指人工濕地系統(tǒng)中基質(zhì)的總質(zhì)量(kg)；t是指濕地系統(tǒng)穩(wěn)定運行的總時間(d)。

　　二、結(jié)果與討論

　　2.1人工濕地系統(tǒng)基質(zhì)的特征

　　由SEM圖(圖2)可以直觀看出備選的4種基質(zhì)的形貌。蠣殼和麥飯石均為層狀結(jié)構(gòu)，其中牡蠣殼為團聚體;沸石和陶粒均為孔狀結(jié)構(gòu)，其中沸石為微孔結(jié)構(gòu)(孔徑<2nm)，而陶粒為大孔結(jié)構(gòu)(孔徑>50nm)。結(jié)果表明：沸石和陶粒的比表面積均比牡蠣殼和麥飯石的大。

　　不同運行條件下濕地基質(zhì)的FT-IR譜(圖3)可表征不同填料的表面基團以及探索填料空隙Si―O鍵的對稱和反對稱伸縮振動峰位于波數(shù)為700~1500cm-1的區(qū)域;Si―O四面體的二級結(jié)構(gòu)振動峰位于400~700cm-1;羥基振動峰位于3500cm-1，且羥基是填料化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵基團。由于牡蠣殼的主要成分為CaCO3，所以C―O振動峰位于1417cm-1，而其他3種填料都存在Si―O鍵的強振動峰。另外，由于Si(Al)―OH的貢獻，沸石和麥飯石的紅外光譜曲線在波數(shù)3500cm-1左右也出現(xiàn)了振動峰。

　　2.2人工濕地系統(tǒng)的運行情況

　　12個中試人工濕地單元的水質(zhì)參數(shù)(溫度、pH、ρ(DO)、氧化還原電位和電導(dǎo)率)和常規(guī)污染指標ρ(COD)、ρ(TN)和ρ(NH+4-N)的去除率檢測結(jié)果見表3~表7。結(jié)果表明：在12個不同條件下的中試人工濕地單元中，COD的去除率范圍：35.3%~74.0%；TN的去除率范圍：16.1%~45.9%；NH+4-N的去除率范圍：9.2%~34.8%；出水中溶解氧的質(zhì)量濃度范圍：0.44~0.72mg/L；pH保持相對穩(wěn)定(7.93~8.16)。

　　2.3激素的質(zhì)量濃度與去除率

　　在進水中共檢出9種激素物質(zhì)(圖4)，分別為雄烯二酮、17α-勃地酮、17β-勃地酮、1，4-雄烯二酮、雄酮、羥孕酮、甲孕酮、黃體酮及睪丸素(6.32~1113ng/L)

　　在進水中，雄酮的質(zhì)量濃度最高(1113ng/L)；其次為1，4-雄烯二酮和雄烯二酮，質(zhì)量濃度分別為498.00、335.00ng/L；黃體酮、17α-勃地酮、羥孕酮、17β-勃地酮、甲孕酮、睪丸素的質(zhì)量濃度較低，分別為50.40、43.50、15.50、10.50、7.61、6.32ng/L。

　　在基質(zhì)樣品中只檢出1，4-雄烯二酮和雄烯二酮2種激素(0.16~1.88ng/g)(表8)。在4種基質(zhì)以及3種水力負荷條件下，中試人工濕地單元對激素的去除率差別較大：

　　(1)對低質(zhì)量濃度的羥孕酮、甲孕酮、睪丸素的去除率均達到了100%;

　　(2)1，4-雄烯二酮和雄烯二酮的去除率相差不大(67.8%~98.8%);

　　(3)質(zhì)量濃度最高的雄酮其去除率波動較大(-1.0%~92.1%)，而黃體酮的去除率在32.5%~88.3%范圍;

　　(4)對于17α-勃地酮，在以牡蠣殼為基質(zhì)時其去除率在72.3%~89.7%范圍，而以沸石、麥飯石、陶粒為基質(zhì)時其去除率均達到了100%;

　　(5)對于17β-勃地酮，只有在水力負荷為10cm/d且基質(zhì)為沸石、麥飯石、陶粒的情況下，其去除率達到100%，而在其他基質(zhì)情況下其去除率均在43.8%~80.1%范圍。

　　中試濕地單元對總激素的去除率在27.7%~94.9%之間(圖5)，其去除規(guī)律為：在相同基質(zhì)條件下，中試人工濕地單元對總激素的去除率隨著水力負荷的增加而減小;水力負荷越小濕地單元對總激素的去除率越高;在相同的水力負荷條件下，去除率由高至低的濕地單元基質(zhì)種類依次為麥飯石、陶粒、沸石、牡蠣殼

　　2.4人工濕地系統(tǒng)中污染物的質(zhì)量平衡核算

　　通過對進水、出水中污染物通量和質(zhì)量平衡的計算，可以評價濕地系統(tǒng)對污染物的去除能力。計算9種激素和COD、TN、NH+4-N的日去除通量，列于表9。對于COD的進水通量分別為5.61、11.2和16.6g/d的污水，經(jīng)過4種基質(zhì)的濕地單元處理后，在不同水力負荷(10、20和30cm/d)條件下，COD、TN、NH+4-N的日去通量分別在3.81~10.10、0.42~1.07、0.31~0.80g/d范圍;相應(yīng)地，在3種水力負荷下，進水中檢出的激素通量分別為20.8、41.6、62.4μg/d，經(jīng)過4種基質(zhì)的濕地單元處理后，激素的日去除通量在14.2~19.7、23.8~27.8、17.3~28.7μg/d范圍。總激素的日去除通量在14.16~28.65μg/d范圍。結(jié)果表明：沸石基質(zhì)人工濕地系統(tǒng)對激素和常規(guī)污染物的去除能力最大;污染物在人工濕地系統(tǒng)的日去除通量隨水力負荷的增加而增大。

　　2.5人工濕地系統(tǒng)對激素的去除效果評價

　　在12個不同運行條件下(4種基質(zhì)：牡蠣殼、沸石、麥飯石和陶粒;3個水力負荷：HLR=10、20、30cm/d)的中試人工濕地單元進水中共檢出9種激素，且不同運行條件對激素的去除效果影響較大。

　　對比發(fā)現(xiàn)，相同水力負荷條件下，以沸石為基質(zhì)的人工濕地單元(HLR=10cm/d的情況除外)對常規(guī)污染指標(COD、TN和NH+4-N)以及總激素的去除效果最佳。在4種濕地基質(zhì)中，只有沸石同時具有微孔結(jié)構(gòu)和Si―OH鍵，正是因為這2種特性，使得沸石可以吸附污染物，為微生物的附著與生存提供了更大的表面積和活性位點[26]。由于沸石的微孔特性和Si―OH鍵的存在，以沸石為基質(zhì)的人工濕地單元對生活污水中常規(guī)污染指標和激素的去除效果最好。此外，隨水力負荷的增加目標污染物的去除率降低;同時，通過增加水力負荷可以提高系統(tǒng)對污染物的去除通量。因此，綜合考慮去除率和去除通量，以沸石為基質(zhì)、HLR=20cm/d的人工濕地單元對生活污水中污染物的處理效果最佳。

　　在濕地系統(tǒng)運行期間，3種水力負荷下進水中激素的總通量達到了22776、45552、68328μg，經(jīng)濕地系統(tǒng)處理后，12個濕地單元出水的激素總通量范圍：1476~65848μg，其中，基質(zhì)吸附了4。5~819μg。通過計算得到這12個濕地單元對激素的總?cè)コ省⒒|(zhì)吸附率(表10)，結(jié)果表明：基質(zhì)吸附的貢獻很小。在濕地單元的4種基質(zhì)中，2種激素(1，4-雄烯二酮和雄烯二酮)被檢出，說明基質(zhì)吸附是濕地系統(tǒng)對激素(特別是1，4-雄烯二酮和雄烯二酮)的去除途徑之一。鑒于激素物質(zhì)在濕地系統(tǒng)中通過水解、光催化降以及蒸騰作用去除的效果微乎其微。另外，對所有檢出的激素物質(zhì)進行質(zhì)量平衡核算的結(jié)果顯示，基質(zhì)吸附量只占濕地系統(tǒng)對污染物去除量的很小一部分(圖10)。因此，我們認為濕地系統(tǒng)對激素物質(zhì)的去除主要依靠微生物的降解。實際上，多數(shù)研究表明：污水處理對于激素的去除主要依靠微生物降解，微生物群落越豐富，代謝能力越強，去除效果也越強

　　三、結(jié)論

　　在不同參數(shù)條件下，水平潛流人工濕地單元對常規(guī)污染指標(COD、TN和NH+4-N)和激素去除效果差別較大;綜合考慮濕地系統(tǒng)對污染物的去除率和去除通量的影響，選擇沸石基質(zhì)、HLR=20cm/d的水平潛流人工濕地單元為最佳系統(tǒng)。在最優(yōu)化條件下，水平潛流人工濕地單元對激素的去除效果能夠接近甚至高于污水處理廠的去除率，說明優(yōu)化后的水平潛流人工濕地系統(tǒng)可以作為生活污水中激素的去除處理工藝?；|(zhì)吸附和微生物降解是人工濕地系統(tǒng)去除激素的重要途徑，且微生物降解占主導(dǎo)地位。（來源：華南師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院∥廣東省化學(xué)品污染與環(huán)境安全重點實驗室∥教育部理論化學(xué)重點實驗室）