人工湿地处理尾水中抗生素的去除效果

1.实验装置

组合人工湿地系统主要由垂直流人工湿地和水平潜流人工湿地两部分组成。按照垂直流人工湿地在前、水平潜流人工湿地在后的顺序串联起来形成紧凑的组合人工湿地单元，组合人工湿地系统由四个同样的组合人工湿地单元并联构成（图7-2）。每个组合人工湿地单元中，垂直流人工湿地尺寸为6.0 m（长）×4.0 m（宽）×1.5m（高）；水平潜流人工湿地尺寸为6.0 m（长）×4.5m（宽）×0.8m（高）。垂直流人工湿地表面铺设新型的环状布水工艺，以保证组合人工湿地系统的均匀布水，出水则自水平潜流人工湿地床上端的穿孔花墙流出。组合人工湿地系统以廉价的砾石为填料，在布水区和集水区填充大粒径（3～5 cm）砾石，其他区域填充小粒径（1～3 cm）砾石。湿地植物选用耐污性好、去污能力强的8种本地水生植物。其中，垂直流人工湿地选用的水生植物为狭叶香蒲、黄花美人蕉、芦苇和粉美人蕉，水平潜流人工湿地选取金钱草、菖蒲、再力花和风车草。

图7-2　垂直流-水平潜流组合人工湿地示意图

试验污水来自惠州市某城镇污水处理厂处理后的尾水。组合人工湿地分别在4个水力负荷的运行条件下（0.5m3/（m2·d），1.0m3/（m2·d），1.5m3/（m2·d），2.0m3/（m2·d））各稳定运行10 d，并在每个水力负荷的最后三天连续进行取样分析（n=3）。同时，对所采水样的物化参数（Temp，pH，DO）和水质参数（CODCr，SS，NH3-N，TP）进行监测，来描述水质状况。

2.水质特征

组合人工湿地进出水水质如表7-1所示。组合人工湿地进出水的水温和pH几乎没有变化，而溶解氧浓度从进水的5.1～6.7mg/L下降到出水的2.0～4.3mg/L，表明大量氧气被消耗，组合人工湿地中发生了耗氧作用。CODCr的去除率为19%～43%，而SS为38%～86%，NH3-N为39%～74%，TP为14%～40%，其出水浓度均显著低于进水浓度（P＜0.05），说明组合人工湿地能够有效去除污水处理厂尾水中的常规污染物。

3.抗生素的去除效果

组合人工湿地进出水中抗生素的浓度和去除率如图7-3—图7-5所示。组合人工湿地对四大类抗生素去除效果依次为：喹诺酮类（80%±12%）＞大环内酯类（67%±13%）＞四环素类（66%±1%）＞磺胺类（-93%±43%）。其中，喹诺酮类、大环内酯类和四环素类的出水浓度显著低于进水浓度（P＜0.05），而磺胺醋酰在12次采样中均低于检测限，故未加入计算。

（1）喹诺酮类

喹诺酮类抗生素的去除率为70%～95%（95%置信范围，后同），组合人工湿地对该类抗生素有很好的去除效果（图7-3）。许多研究表明，喹诺酮类主要是通过沉积物和颗粒物的吸附作用而被去除的，其具有的3位羧基和4位酮羰基，极易和湿地基质（砾石）产生的钙、镁等阳离子形成配合物从而被去除。此外，喹诺酮类在湿地中不易发生水解，易发生光降解。

表7-1　垂直-水平潜流组合人工湿地进出水水质（n=3）

注：括号里为去除率。(www.xing528.com)

图7-3　组合人工湿地中不同水力负荷下喹诺酮类抗生素的浓度和去除率

图7-4　组合人工湿地中不同水力负荷下大环内酯类和四环素类抗生素的浓度和去除率

图7-5　组合人工湿地中不同水力负荷下磺胺类抗生素的浓度和去除率

（2）大环内酯类

组合人工湿地对大环内酯类抗生素的去除率在58%～77%，具有较好的处理效果（图7-4）。大环内酯类抗生素的log Kow为2.75～2.83，一方面，高log Kow决定的疏水特性使其容易和砾石基质产生的钙、镁等金属离子发生阳离子交换从而被生物吸附；另一方面，log Kow在1.00～3.50的化合物容易被植物吸收，并可以在短时间内起作用。

（3）四环素类

组合人工湿地对四环素类抗生素的去除率为65%～67%，可见组合人工湿地能够稳定有效去除四环素类抗生素（图7-4）。许多研究表明，四环素类抗生素与土壤和沉积物有着很强的吸附力，很可能通过吸附或滞留途径被人工湿地去除。该类抗生素分子中含有许多羟基、烯醇羟基及羰基，在近中性条件下，可与湿地基质中多种金属氧化物生成的阳离子形成不溶性螯合物而被去除。此外，四环素类抗生素为两性化合物，易发生水解作用，随着温度的升高其水解速率会相应提高，而试验期间较高的水温可能进一步促进污水中四环素类抗生素的降解。

（4）磺胺类

磺胺类抗生素的出水浓度远高于进水浓度，调查结果也显示传统污水处理厂对磺胺甲噁唑的去除率在27.9%～60%（图7-5）。可能的原因，一是湿地原污水为经污水处理厂处理过的尾水，其中相当一部分易降解的磺胺类抗生素已经被去除，剩下的很难被进一步处理；二是磺胺类抗生素在污水处理厂中生成了N4-乙酰代谢物，这些中间代谢物在组合人工湿地中转换回活性母体化合物，使组合人工湿地出水中磺胺类抗生素含量增大。Göbel et al.（2007）的研究表明，磺胺甲噁唑的乙酰化代谢物在污水处理厂进水中的浓度是其母体的2.5～3.5倍。