城市污水處理廠中抗生素的分布與遷移化研究

中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300074

抗生素是指生物（包括動物、植物及微生物等）在存活過程中，通過一系列的生命活動產生或人為產生，在低濃度環境下，選擇性抑制或影響區域內其他生物物種生存功能的有機物質[1]。城鎮污水處理廠出水中殘留的β-內酰胺類抗生素可能對人體健康和生態環境造成嚴重的影響。因此，研究這些微量污染物在城鎮污水處理廠中的含量及遷移轉化規律具有重要的現實意義。

人們生活垃圾與有機物質的排放，使水體中微生物快速生長，這些微生物生命活動產生的抗生素在環境中具備一定的持久性與殘留性，能夠經過地下水持續被人體攝入。這種現象的出現不僅會對水體中生物的生命造成影響，還會破壞水環境，對生態的可持續發展造成威脅[2]。

為此應將抗生素研究的側重點置于城市污水處理廠，此區域水體中自然垃圾較多，十分適宜藻類與微生物在其中的生長，進而產生了大量的抗生素。并且在長期的發展中，這些生物受到環境的影響，已經出現了對抗生物質的耐藥性，在此過程中若不能及時采取有效的措施對污水進行處理，將導致動植物中毒，嚴重時甚至會直接導致動植物死亡。除此之外，長時間暴露在低溫適宜環境下的抗生物質，會滋生細菌，這些產生的細菌均具備一定的耐藥性，通過食物鏈進入人體，對人類身體健康造成威脅。為此文章將以城市污水處理廠為試點研究區域，開展城市污水處理廠中抗生素的分布與遷移化研究，掌握抗生物質的變遷規律，以此改善水資源環境發展現狀。

1 城市污水處理廠中抗生素的分布

抗生物質在污水廠中經過長時間的沉淀，會沉積在活性淤泥中。此時，水中的有機元素被分解，持續擴散到水中，經過淤泥的吸附作用、動物對其的降解作用、植物的光合作用等進行轉移。

抗生素在城市污水處理廠最廣泛的分布區域便是淤泥底部，水體中大量微生物均生長在水底，且水廠中底部淤泥對其具有一定的物理吸附作用。抗生素中存在的細微分子結構被破壞，分子之間的作用力逐步降低。有機物質以液相或絡合物形式沉積在水底，最終以螯合物形式存在[3]。假定在此種情況下中固液的分離系數為Kd，那么Kd的取值為0.25～6000L/kg。除此之外，在對城市污水廠中有機物質分析時發現，抗生素在污水處理廠底部淤泥中的分布，與其水體環境、水中有機物質的理化性能等有著直接的關系。并且，不同的抗生素分子結構不同，即在底部的生存能力不同，并且均與吸附等溫方程的有關。青霉素作為生活中或醫療行業的一種常用抗生素，其吸附能力便與其自身的濃度呈現正相關關系。隨著自身濃度的增加，此種抗生物質的吸附能力逐漸增強，由此越來越容易沉積在污水處理廠底部。除此之外，在相關實地考察中發現，抗生素的分布與城市污水處理廠中的水體的pH值均有著直接關系。具體如圖1所示。

圖1 抗生素在城市污水處理廠中分布受pH值的影響

由圖1可知，在35.0℃的環境中，抗生素的分布與污水處理廠中水體的pH值存在一定函數關系。倘若此時整體環境的pH值在6.0附近，是抗生素最適宜的生存環境，淤泥及底部巖石上附著的抗生物質含量高，容易附著在污水處理廠底部。

同時，在低濃度污水中，處理廠中微生物物質繁衍較為劇烈，在微生物的作用下，抗生素極易發生降解。例如，抗生素分子結構中一些活性物質被破壞，導致水體中抗生物質的含量降低[4]。相關研究發現，目前社會中使用的磺胺類試劑對抗生素的生長存在一定抑制的作用。尤其在水體微生物發酵后，散發熱量使水體溫度升高，可對水體中的微生物起到消除作用。在此情況下，污水處理廠中剩余的抗生素分子通常以游離的狀態漂浮在水體表面層，不易依附物質生存，這也就是人們常說的漂浮在水面表層的浮游物質。國內外關于此方面的研究成果表明，目前污水處理廠中殘留抗生素的現象十分普遍，尤其是游離在水體表層的物質，更容易被檢測出來，也十分容易摸索在此區域內水體中抗生素的分布規律及存活方式，只是不同類型的水體中含有抗生素的種類與抗生素的濃度不同。

2 抗生素的遷移化研究

為了緩解水體中抗生物質對水環境的影響，在掌握城市污水處理廠中抗生素分布的基礎上，持續開展抗生素遷移化研究。

污水處理廠中水體通常為生活廢水及工業廢水，但無論哪種廢水，在水體收集處理后24h之內均會存在一定的水質波動[5]。因此，在此過程中采用物化處理的方式，使用多種物理手段。包括混凝、沉淀、吸附、等價離子交換、濃縮、加熱蒸發等。對污水處理廠中抗生素執行一級遷移工作。以目標抗生素的含量為處理標準，從而確定一級遷移的去除率。計算公式如下：

式中：Min為一級處理24h內水體中抗生素物質的總含量，g；Q為在此過程中污水處理廠的處理污水總量，1.0×104m3/d；Cin為抗生素含量濃度，mg/L。通過對以上公式的分析，確定了污水處理廠的抗生素濃度，采用二級生物處理方式，持續對水體中抗生素進行遷移[6]。此過程如表1所示。

表1 抗生素二級生物遷移處理

根據城市污水處理廠中抗生素的種類，對其執行上述二級生物遷移工作。此時，可將隨水體處理的抗生素總量作為遷移的依據，計算抗生素遷移化的百分率。公式如下：

式中：Mi為二級生物遷移的抗生素量；m為排除污水量；Cs為抗生物質濃度。綜上所述，通過一級物化處理及二級生物處理，完成對城市污水處理廠中抗生素遷移化的研究。

3 結束語

文章以城市污水處理廠為試點研究區域，開展城市污水處理廠中抗生素的分布與遷移化研究，根據污水中不同抗生物質的生存現狀，掌握其分布規律，以此緩解有機物質對水體、對人體的不利影響。盡管文章提出的研究點具備一定實際研究依據，但此次研究受到時間的限制，僅以國內外早期成果作為支撐，尚未開展污水廠中抗生素檢測的研究。

因此，在后期的相關研究工作中，可將文章提出的論點作為參考，在此基礎上，開展抗生素消解過程的深入研究，并參照相關城市污水廠中抗生素的殘留現狀，對水體進行定量平衡研究，揭示抗生素在污泥中或無氧條件下的分布，掌握此方面的規律，從而為研究凈化水體、改善生態環境的發展現狀提供理論支持。