工业水处理, 2022, 42(7): 67-74 doi: 10.19965/j.cnki.iwt.2021-1052

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磺胺甲唑与砷复合污染对活性污泥系统的影响

康鹏飞,1,2, 荣步云3, 李红丽2,4, 崔理慧2,4, 万俊锋,2,4

1.郑州大学化工学院, 河南 郑州 450001

2.河南省环境与资源国际联合实验室, 河南 郑州 450001

3.山西天脊煤化工集团股份有限公司, 山西 长治 047507

4.郑州大学生态与环境学院, 河南 郑州 450001

Effects of combined pollution of sulfamethoxazole and arsenic on activated sludge system

KANG Pengfei,1,2, RONG Buyun3, LI Hongli2,4, CUI Lihui2,4, WAN Junfeng,2,4

1.School of Chemical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China

2.Henan International Joint Laboratory of Environment and Resources, Zhengzhou 450001, China

3.Shanxi Tianji Coal Chemical Industry Group Co. , Ltd. , Changzhi 047507, China

4.School of Ecology and Environment, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China

收稿日期: 2022-04-13  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  21107100
河南省科技攻关项目.  212102110030

Received: 2022-04-13  

作者简介 About authors

康鹏飞（1997—），硕士E-mail：k13663838730@163.com , E-mail：k13663838730@163.com

万俊锋，副教授E-mail：wanjunfeng@zzu.edu.cn , E-mail：wanjunfeng@zzu.edu.cn

摘要

抗生素及其抗性基因在环境中的迁移转化是近年来环境领域的研究热点之一。以SBR工艺为代表的活性污泥法在治理含有抗生素的废水中得到了广泛的应用，但是关于抗生素和重金属复合污染物对SBR工艺影响的报道较少。采用2组平行SBR反应器，分别单独投加磺胺甲唑（SMX）（对照组）和复合投加SMX与三价砷As（Ⅲ）连续运行90 d，重点研究复合污染对SBR系统性能的影响。结果表明，短期运行条件下SMX与As（Ⅲ）复合污染显著（p<0.01）抑制微生物活性从而导致SBR系统中COD、TN和TP去除性能恶化，长期运行过程中，SMX与As（Ⅲ）复合污染促使单位MLSS中的胞外聚合物（EPS）从11.95 mg/g提升至48.63 mg/g，同时污泥容积指数SVI5从92.21 mL/g降至65.14 mL/g，沉降性能大大提高。动力学实验证实活性污泥主要通过吸附作用去除SMX，吸附规律符合Langmuir方程，说明活性污泥对SMX的吸附行为更趋近于单层吸附。这项研究表明以SMX与As（Ⅲ）为代表的抗生素与重金属的复合污染对SBR系统的影响不可忽视，同时本研究对抗生素废水的治理也有一定的借鉴意义。

关键词： 磺胺甲唑 ; As（Ⅲ） ; 活性污泥 ; 吸附 ; 抗生素废水

Abstract

The migration and transformation of antibiotics and their antibiotic resistance genes （ARGs） in the environment is one of the research hotspots in the field of environment in recent years. As one of typical activated sludge process，the SBR process has been widely applied in the treatment of antibiotic polluted wastewater. However，there are few reports on the impact of complex coexisting pollutants including antibiotics and heavy metal on the SBR process. In this study，two groups of parallel SBR reactors，which were added sulfamethoxazole（SMX） （control group） and “SMX+AS（Ⅲ）” respectively，were operated continuously for 90 days to mainly investigate the effect of complex coexisting pollutants on the performance of SBR system. The results showed that the coexisting pollutants “SMX+As（Ⅲ）” significantly（p<0.01） inhibited the activity of microorganisms under short-term operating conditions，resulting in the deterioration of the removal performance of COD，TN and TP in the SBR system. During the long-term operation，the combined pollution of SMX and As（Ⅲ） promoted the content of extracellular polymer（EPS） per unit MLSS to increase from 11.95 mg/g to 48.63 mg/g，while the sludge volume index SVI5 decreased from 92.21 mL/g to 65.14 mL/g，and the settling performance was greatly improved. Kinetic experiments confirmed that adsorption was the main mechanism to remove SMX by activated sludge，which was fitted well with the Langmuir equation，indicating that the adsorption behavior probably belonged to monolayer adsorption. This study showed that the combined pollution of antibiotics and heavy metals represented by SMX and As（Ⅲ） couldn’t be ignored in the SBR system，and it also had certain reference significance for the treatment of antibiotic wastewater.

Keywords： sulfamethoxazole ; As（Ⅲ） ; activated sludge ; adsorption ; antibiotic wastewater

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本文引用格式

康鹏飞, 荣步云, 李红丽, 崔理慧, 万俊锋. 磺胺甲唑与砷复合污染对活性污泥系统的影响. 工业水处理[J], 2022, 42(7): 67-74 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-1052

KANG Pengfei. Effects of combined pollution of sulfamethoxazole and arsenic on activated sludge system. Industrial Water Treatment[J], 2022, 42(7): 67-74 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-1052

抗生素向环境中的排放已成为一个重要问题，抗生素的长期存在可能会导致抗生素抗性细菌和抗生素抗性基因（Antibiotic resistance genes，ARGs）的产生、维持、转移和传播，对生态系统产生冲击并降低抗生素对人类和动物病原体的治疗潜力〔1-2〕。人类和动物的粪便和尿液中未代谢的抗生素是将其引入环境的主要途径之一，这些残留物的很大一部分最终通过管道排入废水处理厂（WWTP）〔3-4〕。因此，开发有效的抗生素处理技术解决抗生素污染，明确抗生素的迁移转化规律及其影响因素对于保护环境以及人类健康具有非常重要的意义。

序批式活性污泥法（Sequencing batch reactor activated sludge process，SBR）工艺简单，对污染物的去除效果好，对水质和水量的变化具有很强的适应性，因此被广泛用于处理含抗生素的废水〔5〕。A. J. KANG等〔6〕使用SBR处理含有2 μg/L磺胺甲唑（Sulfamethoxazole，SMX）的废水，SMX去除率为84%。王振旗等〔7〕开发了以SBR工艺为核心的废水末端处置关键技术，结果显示，这项技术使得奶牛场废水中磺胺类和β-内酰胺类抗生素去除率稳定在90%以上。然而目前的研究大多只考虑了一种抗生素污染物对SBR系统的影响，但实际废水往往更为复杂。例如SMX是一种典型的磺胺类抗生素，其因广谱抗菌且成本低而被广泛用于兽药〔8〕，同时洛克沙砷作为控制寄生虫的饲料添加剂也被广泛使用，其代谢产物包括无机砷As（Ⅴ）和As（Ⅲ）〔9〕。SMX和洛克沙砷作为兽药的大量使用致使养殖废水中会同时存在抗生素和重金属砷。Hai LIN等〔10〕发现0.5 mmol/L Pb、0.1 mmol/L As和0.005 mmol/L Hg可以明显促进污泥细菌群落中的ARGs转移。抗生素和抗菌金属的复合作用更会使一些微生物出现多重抗性，给环境和人类健康带来更大的威胁。但是迄今为止关于处理同时含抗生素和重金属废水的研究却很少。

本研究在序批式活性污泥系统（SBR）中加入SMX和As（Ⅲ），研究了复合污染对SBR系统污染物去除性能、污泥浓度、胞外聚合物（EPS）、污泥活性、SMX去除机理的影响，可以为实际复合污染废水的处理提供借鉴。

1 实验部分

1.1 实验装置与进水水质

实验采用2个相同的SBR反应器R1和R2，总周期设定为6 h，包括5 min进水，25 min厌氧，155 min好氧，60 min厌氧，110 min好氧，5 min沉降，5 min排水。体积交换率为40%，进水采用人工模拟废水，水质如表1所示，进水营养比为m（COD）∶m（N）∶m（P）=100∶5∶1（其中COD为1 000 mg/L）。污泥培养完成后，在第27天向R1加入1 mg/L的SMX，同时向R2加入1 mg/L SMX和0.5 mg/L的As（Ⅲ）。

表1   人工模拟废水成分组成

Table 1  Composition of artificially simulated wastewater components

成分质量浓度/（g·L-1）微量元素质量浓度/（μg·L-1）
C2H3O2Na1.282CoCl2·6H2O250
（NH4）2SO40.235CuSO4·5H2O250
K2HPO4·3H2O0.015MnSO4·H2O250
KH2PO40.035NiCl2·6H2O250
CaCl20.046
MgSO4·7H2O0.044
FeSO4·7H2O0.018
NaHCO30.1

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1.2 测试方法

COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TP分别使用重铬酸钾标准法、纳氏试剂分光光度法、重氮偶合分光光度法、氨基磺酸分光光度法、钼酸铵分光光度法检测，每隔2 d检测1次；采用高效液相色谱法检测SMX质量浓度〔11〕；每隔7 d测1次混合液悬浮固体浓度（MLSS）和混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）；每15 d采用热提取法提取1次EPS，其多糖（Polysaccharides，PS）的测量采用苯酚-硫酸法，蛋白质（protein，PN）的测量采用改良的Lowry法；比耗氧速率（SOUR）、脱氢酶活性（DHA）、氨氧化速率（SAOR）的检测参考文献〔12〕中的方法。SMX的吸附降解实验参考文献〔5〕中方法，认为灭活后的污泥只对SMX进行吸附，有活性的污泥同时存在吸附作用和生物降解。

2 结果与讨论

2.1 复合污染对SBR系统去除性能的影响

SMX单独投加和与As复合投加前后（第27天加入）SBR系统的除污性能见图1。

图1

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图1   SMX单独投加和与As复合投加前后（第27天加入）SBR系统的除污性能

Fig. 1   Decontamination performance of SBR system before and after SMX alone and combined with As addition （added on the 27th day）


图1（a）表示污染物加入前后反应器COD去除性能的变化。R1投加SMX后，COD去除率没有明显变化，一直稳定在93%左右，说明单独的SMX对活性污泥去除COD影响较小，相关研究也表明2 μg/L的SMX对SBR系统的处理性能以及颗粒的稳定性没有显著影响〔13〕；然而R2中SMX+As（Ⅲ）复合污染的加入导致COD去除率立即降至76.29%，适应20 d之后才恢复到95% 以上，表明复合污染对活性污泥去除COD产生了更大的影响，且系统性能恢复较慢，但活性污泥长期运行后能适应复合污染造成的性能抑制。

图1（b）表示SMX和As加入前后反应器TP去除性能的变化。污染物加入之后，R1、R2中P的去除均有较大程度的恶化，最终去除率稳定在50%左右，而之前TP的去除率最高可达80%以上，表明SMX作为一种广谱抗菌药，较大地影响了聚磷菌的生长。

图1（c）和图1（d）分别表示R1和R2反应器中N的去除受污染物加入的影响情况。如图1（c）所示，R1加入SMX后出水NH4+-N升高，NH4+-N及TN去除率均下降了10%左右，NO3--N和NO2--N与之前相比变化不大，1周后基本恢复到之前的水平，这表明与氮去除相关的微生物能较快适应SMX的毒性。由图1（d）可知，R2中SMX和As（Ⅲ）的加入导致总氮去除率下降了13%以上，且较不稳定，其他氮素也同此变化趋势，直到第3周左右才基本恢复到之前的水平，表明SMX和As（Ⅲ）的复合污染对与氮去除相关的微生物毒性更大，微生物更难适应。但最终R1和R2中NH4+-N去除率均恢复到100%，TN去除率接近90%。

2.2 复合污染对系统内污泥特性的影响

将污染物投加前1天设为第0天，投加当天设为第1天。SMX单独投加和与As复合投加后SBR系统污泥活性（以单位时间内单位MLVSS消耗的底物表示）变化见图2。

图2

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图2   SMX单独投加和与As复合投加后SBR系统污泥活性变化

*表示与第0天相比污泥活性统计学差异，*p<0.05，**p<0.01。

Fig.2   Changes in sludge activity of SBR system after SMX alone and combined with As addition


图2（a）所示为污泥SOUR（以氧气计）的变化，SOUR可直接反映好氧生物废水处理过程中有机物降解和硝化过程的微生物活性和氧利用率〔12〕。初期R1单独投加SMX对SOUR没有很大影响，但是R2中复合污染导致了前30 d SOUR的显著（p<0.01）降低，表明复合污染对好氧细菌的毒性更大且细菌更难适应；经过60 d的适应，2反应器中污泥SOUR均显著（p<0.01）高于第0天，表明长期的SMX和砷胁迫可以提高好氧微生物的活性。

图2（b）表示2个反应器中DHA〔以三苯基甲臜（TF）计〕的变化，DHA可以反映生物呼吸活性，污染物胁迫下DHA的变化会影响有机物的生物降解〔12〕。由图2（b）可知，第1天SMX的单独加入与SMX和As的联合加入均导致了DHA的显著（p<0.01）降低，且联合加入的DHA更低，这与图1（a）中所示的反应器内COD的去除率降低对应，表明复合污染对降解碳源的微生物活性抑制作用更大。随着微生物的适应，DHA随时间延长缓慢提高，这与COD去除率的恢复相对应。经过60 d的恢复，R1中污泥DHA恢复到之前的状态，R2中DHA仍低于之前，表明复合污染对降解碳源的微生物的毒性作用是长期的，系统需要更长时间去适应。

图2（c）表示2个反应器中污泥SAOR（以NH4+-N计）的变化。由图2（c）可知，单独的SMX对氨氧化细菌（AOB）的活性影响不大（p<0.05），而R2中复合污染的加入导致了SAOR的持续下降，这与图1（d）中R2的NH4+-N去除率降低且不稳定对应，表明复合污染抑制了AOB的活性，导致氨氧化速率的降低，影响了NH4+-N的去除率。经过60 d的运行，R1污泥的SAOR恢复到之前的水平，R2的SAOR高于之前，这表明复合污染的高毒性甚至可以刺激氨氧化细菌产生更高的活性。之前也有研究发现长期暴露于头孢氨苄（Cephalexin，CFX）（30 mg/L）会在一定程度上对AOB活性产生刺激作用，提高氨氧化速率〔14〕。

图3显示了SMX单独投加和与As复合投加后SBR系统污泥浓度、沉降性能、EPS含量的变化。

图3

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图3   SMX单独投加和与As复合投加后SBR系统的变化

Fig.3   Changes of SBR system after SMX alone and combined with As addition


如图3（a）所示，SMX单独投加和与As复合投加后，SBR系统污泥浓度均仍在缓慢升高，表明微生物能快速地适应SMX和As（Ⅲ）的毒性并正常生长，这是由于SMX和As（Ⅲ）的毒性导致微生物分泌的EPS可以在细胞外部形成网络结构作为细胞的保护机制〔15〕，从而使污泥浓度稳定提高。图3（b）显示R1 SVI5从91.73 mL/g降至64.78 mL/g，R2 SVI5从92.21 mL/g降至65.14 mL/g，均有较大程度下降，且在第42天SVI5/SVI30均降至1.03，这是活性污泥颗粒化的重要指标，表明反应器内污泥沉降性能有极大提高。EPS可以使微生物彼此黏附，促进细菌聚集，间接促进了颗粒污泥的形成〔16〕，从而使沉降性能提高。

如图3（c）所示，SMX单独投加和与As复合投加均导致EPS含量显著提高，第0天单位MLSS中EPS的质量分数为11.95 mg/g，而第60天R1、R2单位MLSS中EPS的质量分数分别提高到39.78、48.63 mg/g。细菌在面对有毒污染物时会分泌大量EPS，这是一种常见的自我保护措施〔17〕，EPS的保护作用正是污泥浓度稳定增长的原因。EPS中PS和PN都有明显提高，PS可以通过提供细胞的刚性凝胶网并改变细胞表面电荷而在构建和维持颗粒的结构完整性中发挥关键作用〔18〕，PN的疏水基团可以增强污泥疏水性促进污泥颗粒的形成从而提高污泥的沉降性能〔19〕。

2.3 复合污染对SBR系统去除SMX的影响

同样将污染物投加时间设为第1天，2个反应器中SMX的去除率见图4。

图4

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图4   反应器SMX的去除率

Fig. 4   Removal rate of SMX in reactors


如图4所示，第1天2个反应器的SMX去除率均可以达到30%，之后逐渐降低，这是由于加入SMX的第1天，EPS吸附容量较大。A. J. KANG等〔6〕的研究证实了通过吸附去除的SMX占初始SMX质量的（11.6±1.2）%。蛋白质作为 EPS 的主要成分，存在不同的官能团，如羧基、胺基和羟基，此外还有疏水区域，为吸附提供了结合位点。由于上述官能团和疏水区域的存在，许多有机微污染物包括抗生素都可以被 EPS 吸附〔20〕。结合图3（c），由于微生物抵抗SMX和As的毒性导致其分泌的EPS增多，对SMX的吸附量也较高。30 d之后EPS含量基本不再变化，因此对SMX去除率逐渐降低至10%左右，且复合污染对SMX的去除率没有显著影响。

分别采用适应SMX之前的污泥（第0天，记作R0）和2反应器适应SMX 60 d之后的污泥（记作R1-60和R2-60，下同）进行吸附不同浓度SMX的批次实验以探究SMX的去除机理。每组取反应器内污泥混合物100 mL，以保证污泥量基本一致，向反应器中分别加入1、5、10、25 mg/L SMX，总反应周期同1.1节为6 h。实验结果见表2。

表2   平衡去除量 (Balance removal)

Table 2  

项目SMX质量浓度/（mg·L-1）灭活污泥去除量/（mg·g-1）活性污泥去除量/（mg·g-1）
R010.013 1±0.001 90.025 7±0.001 5
50.036 0±0.004 00.103 9±0.009 9
100.063 7±0.001 00.131 4±0.008 1
250.215 1±0.006 30.548 0±0.017 0
R1-6010.090 9±0.002 80.069 4±0.001 9
50.747 1±0.002 60.618 0±0.006 1
101.034 4±0.013 00.937 9±0.013 2
251.725 1±0.005 41.575 7±0.015 0
R2-6010.056 1±0.001 40.022 8±0.000 4
50.343 4±0.005 30.311 4±0.015 7
100.497 0±0.003 30.408 4±0.001 6
250.763 9±0.012 10.575 9±0.015 7

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由表2可知，各组实验的SMX去除量均随SMX投加浓度的提高而提高，这是由于高浓度的SMX会使SMX分子更多地接触到污泥，从而有更高的去除量。适应前灭活污泥对SMX的去除量较低，表明此时吸附和降解同时起作用，其中吸附占比为39.25%~50.97%；经过60 d的适应后，R1与R2灭活污泥对SMX的去除量均高于未灭活的活性污泥对应组，这表明吸附作用是SMX去除的主要原因，而且在反应后期观测到未灭活的活性污泥SMX浓度都有略微上升，这很可能是由于驯化的功能微生物主动诱导活性污泥已经吸附的SMX解吸，或者由于功能微生物通过特异性或通用的抗生素外排泵将SMX从细胞中排出，降低了细胞内SMX浓度并表现出耐药性〔21〕。E. SAHAR等〔22〕在使用10 μg/L磺胺二甲嘧啶（Sulfamethazine，SMZ） 作为吸附质进行的批量吸附测试中，观察到MBR反应器中的好氧污泥吸附去除了接近100%的SMZ。此外，适应后2反应器的平衡去除量明显提高，这是因为此时的污泥相比第0天EPS含量更高，有更多的吸附位点。与R1相比，R2对SMX的去除量更低，可能是亚砷酸根占据了部分吸附位点。

由于吸附在SMX的去除中起非常重要的作用，使用Langmuir和Freundlich等温线分析SMX在污泥上的吸附平衡，结果见表3。

表3   等温吸附拟合参数

Table 3  Fitting parameters of isothermal adsorption

项目LangmuirFreundlich
qm/（mg·g-1）R2KfR2
R00.127 70.976 20.012 10.959 7
R1-603.792 20.992 30.124 30.941 2
R2-601.162 50.990 90.074 40.949 7

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由表3可知，Langmuir模型能更好地拟合SMX在EPS上的等温吸附行为，这表明SMX在活性污泥上的吸附行为更趋近于单层吸附过程〔23〕，且复合污染并没有改变SMX在污泥上的吸附行为。

使用准一级和准二级动力学模型分析SMX在污泥上的吸附动力学，准一级模型更适合描述初始阶段中有一些限制的物理吸附过程，而准二级模型更适合于吸附过程分为膜扩散、表面吸附和内扩散3个阶段的化学吸附过程〔24〕，实验拟合结果见表4。

表4   吸附动力学拟合参数

Table 4  Adsorption kinetic fitting parameters

项目SMX质量浓度/（mg·L-1）准一级动力学准二级动力学
qe/（mg·g-1）k 1R2qe/（mg·g-1）k2R2
R010.008 2550.026 30.678 50.018 291.813 40.836 6
50.008 7200.000 20.001 90.030 92-4.363 90.771 4
100.073 690.012 20.679 60.067 48-1.872 30.856 9
250.038 750.006 30.835 30.214 4-17.950.984 7
R1-6010.001 90.031 30.837 90.102 40.275 60.949 1
50.641 50.036 60.960 31.034 10.009 20.855 3
101.6220.071 60.910 51.095 10.081 30.970 8
252.210 50.032 20.964 81.842 30.000 20.989 7
R2-6010.001 10.028 80.933 30.080 90.123 60.817 1
50.015 40.010 40.978 90.383 00.508 50.839 8
100.014 20.029 00.796 70.259 90.149 10.980 7
250.160 20.096 90.865 50.707 70.160 20.975 9

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如表4所示，准二级模型对SMX在第0天污泥上的吸附动力学拟合相关系数R2较高，更能较为正确地估计平衡吸附容量（qe），表明化学吸附是控制整个SMX吸附过程的重要因素〔25〕。SMX在生物污泥上的吸附机制涉及 SMX 分子中存在的可电离有机基团与形成颗粒的蛋白质、多糖和细胞外聚合物中存在的不同官能团之间的静电力〔26〕。第60天污泥适应后，2个模型拟合度均较好，准二级模型拟合度更高一些，这意味着第60天污泥上的SMX吸附仍主要通过化学吸附完成，但同时存在物理吸附。

3 结论

在长期运行的SBR系统中单独投加SMX及复合投加SMX与As（Ⅲ），评估了复合污染物对SBR系统性能以及污泥特性的影响。结果表明：（1）SMX+As（Ⅲ）复合污染容易导致SBR中有机物和总氮的去除效果下降，且反应器性能恢复较慢，而SMX单独投加及与As（Ⅲ）复合投加均会导致除磷效果下降且无法恢复；（2）SMX和As（Ⅲ）的存在都会刺激微生物分泌更多EPS，而富集的EPS可促使污泥浓度缓慢提高并改善污泥沉降性能。SMX+As（Ⅲ）复合污染物短期会显著抑制有机物降解和硝化功能微生物的活性，导致SBR对有机物和总氮的去除率下降，然而复合污染物长期胁迫下活性污泥可以恢复到原有较好水平；（3）活性污泥主要通过吸附作用去除SMX，其吸附规律符合Langmuir吸附热力学方程，说明SMX在活性污泥上的吸附行为更趋近于单层吸附。这项研究表明SBR工艺在处理含有抗生素和重金属等不同污染物的实际工业废水过程中，必须考虑复合污染物对工艺运行效果潜在的影响。


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