雌激素在污水處理系統(tǒng)中濃度分布及其去除效果研究進展
環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室 北京師范大學環(huán)境學院 史江紅
0 前言
天然雌激素雌酮（Estrone，E1）、雌二醇（17β-Estradiol，E2）、雌三醇（Estriol，E3）和人工合成雌激素乙炔基雌二醇（17α-Ethinyl Estradiol，EE2）是最具潛在雌性化風險的內(nèi)分泌干擾物（Endocrine Disrupting Compounds，EDCS），隨人和動物的排泄物進入環(huán)境中。在具備污水處理設(shè)施的區(qū)域，人類通過糞尿排放的雌激素，經(jīng)過下水管道和污水處理廠，尚未去除的雌激素會隨著污水處理廠出水進入到水體、農(nóng)田、土壤等環(huán)境中；畜禽糞便中的雌激素亦會通過堆肥發(fā)酵處置后進入農(nóng)田土壤中。污水處理廠出水和農(nóng)田徑流是雌激素進入河流和湖泊等水體的主要途徑。失去雌激素活性的雌激素葡萄糖苷酸和硫酸鹽結(jié)合體在排往污水處理廠之前或在污水處理廠中大部分復(fù)原為雌激素。現(xiàn)有的污水處理廠處理工藝往往不能有效去除原水中的雌激素，導(dǎo)致出水及受納水體中雌激素被檢出，其濃度為ng/L至幾十ng/L。所以污水處理廠出水排入水體，導(dǎo)致水環(huán)境中含有ng/L水平的雌激素。
雌激素雖然在水環(huán)境中的濃度僅為ng/L水平，但卻是引起魚類雌性化的主要原因物質(zhì)，會對魚類、貝類、鳥類等動物產(chǎn)生雌性化、體數(shù)減少、精巢異常等生殖異�；F(xiàn)象以及潛在的人類生殖健康問題。80年代在英國泰晤士河接納污水處理廠出水的下游河段中，發(fā)現(xiàn)雌雄同體的鯉魚；隨后的有關(guān)魚類生殖異常現(xiàn)象的研究結(jié)果表明，雄性的虹鱒魚放入污水處理廠出水中3個星期之后，出現(xiàn)雌性化現(xiàn)象，證明了ng/L水平的E2、 EE2及 E1可以導(dǎo)致雄性虹鱒魚的雌性化。一些研究表明，河中魚類雌性化的原因主要是污水處理廠出水中含有的EE2，E2，E1所導(dǎo)致的。魚類的vitro毒理實驗研究結(jié)果表明，雌激素效應(yīng)大小順序為EE2>E2>E1。
由于雌激素排放不可避免，因此提高污水處理系統(tǒng)中雌激素去除效率是減少或控制雌激素進入水環(huán)境的重要措施。針對污水處理系統(tǒng)中污水和污泥，建立雌激素高回收率和低成本的分析檢測技術(shù)，進一步研究其在污水處理系統(tǒng)中的濃度分布特征、雌激素在泥水相間的遷移轉(zhuǎn)化過程、生物降解特性以及影響雌激素去除效果的工藝參數(shù)等，可以為今后污水處理系統(tǒng)中雌激素的去除措施以及排放標準等相關(guān)管理工作提供學術(shù)依據(jù)和技術(shù)支撐。
1 污水和污泥中雌激素分析方法的建立與改進
污水及污泥中基質(zhì)組成復(fù)雜，而雌激素在這些介質(zhì)中又痕量存在，使得雌激素在儀器分析時較容易受到基質(zhì)干擾作用。因而污水和污泥中雌激素的提取和凈化步驟顯得尤為重要。
1.1 污水和污泥樣品的前處理
對于基質(zhì)組成復(fù)雜的污水，在固相萃取前必須用玻璃纖維濾膜過濾，防止堵塞SPE柱，濾膜的孔徑多選擇0.45μm、0.7μm、1.0μm等。過濾后一般會調(diào)節(jié)水樣pH值至2~3，其目的是為了抑制微生物活性，使目標物在水相中以分子態(tài)存在，便于后續(xù)固相萃取柱的富集。此外，由于污水中含有天然有機質(zhì)（Natural organic matter，NOM），使得雌激素可能被吸附在這些NOM上，導(dǎo)致水樣分析結(jié)果偏低。為了降低NOM等對水中目標化合物的吸附，可以在水樣富集前添加1%~5%的水溶性有機溶劑，如甲醇或異丙醇，可以降低NOM對目標化合物的吸附。污泥樣品采集后迅速加入疊氮化鈉溶液對污泥進行穩(wěn)定化處理，可有效降低微生物活性，避免雌激素被降解或者E2轉(zhuǎn)變?yōu)镋1。許多文獻建議使用冷凍干燥、高壓蒸汽滅菌等方式來保存樣品。
1.2 污水和污泥樣品的提取和凈化
根據(jù)污水中被測物質(zhì)的濃度范圍，污水富集體積從100ml~2000ml不等。污水樣品的富集多采用固相萃取柱（SPE柱）中的親水-親酯平衡的Oasis HLB柱或反相C18柱，其中HLB柱應(yīng)用最廣泛。富集完成后，再用特定極性的有機溶劑將目標物從SPE柱上洗脫下來。常見的HLB柱洗脫溶劑包括乙酸乙酯、甲醇、甲醇/甲基叔丁基醚（10/90，V/V）、甲醇/水（50/50，V/V）、甲醇/二氯甲烷（50/50，V/V）等。
由于污水廠進水相比污水廠出水或河水中的有機質(zhì)含量要高，有時富集洗脫后仍存在較多雜質(zhì)而影響儀器測定，這時就需要對洗脫液進行進一步凈化。常用的凈化用SPE柱包括Florisil柱、Silica柱和NH2柱等，這些柱子可以串聯(lián)在HLB柱后使用，也可以單獨對洗脫液進行凈化。Florisil屬于正相柱，適用于從非極性萃取液中吸附極性化合物，如胺類、羥基類及含雜原子或雜環(huán)化合物，能夠?qū)崿F(xiàn)大多色素及腐植酸大分子的去除；NH2柱一般用于雌激素結(jié)合體的分離；Silica柱非常適合用來分離結(jié)構(gòu)相似的弱極性化合物。
污泥自身組成的復(fù)雜性和雌激素在污泥中的痕量存在而直接影響了污泥中雌激素的準確定量。污泥中雌激素的測定一般包括樣品穩(wěn)定、提取、凈化和最終定量幾個步驟。前處理污泥樣品的使用量也是影響污泥中痕量雌激素回收率的重要因素，文獻報道的樣品使用量大多在0.1~1g之間。有機污泥中雌激素的定量分析需要高效且選擇性地從基質(zhì)組分中提取目標化合物。傳統(tǒng)的提取技術(shù)如索氏提取、超聲、旋轉(zhuǎn)搖動等，曾經(jīng)用于從污水處理廠的污泥樣品中提取雌激素化合物。但是由于雌激素化合物的中度疏水性，溶劑萃取過程常用非極性和非質(zhì)子性極性有機化合物，如正己烷、丙酮、乙酸乙酯、乙酸等，所以傳統(tǒng)提取技術(shù)的主要缺點在于費時且耗費大量溶劑。近些年來，加速溶劑萃�。ˋSE）越來越多地應(yīng)用于污泥中雌激素的提取。ASE通過對萃取池加壓來實現(xiàn)高溫，通過降低粘度和增加溶劑的擴散系數(shù)而破壞目標分析物與基質(zhì)間的相互作用。而且高壓能增強溶劑穿透力，從而提高提取效率。微波輔助提�。∕AE）在一些文獻中也曾用于雌激素的提取，MAE與傳統(tǒng)提取方法相比，具有溶劑耗費少、省時且能同時提取多組分等優(yōu)點。
文獻報道堿性溶液可以溶解提取殘渣中的EE2并使之離子化，有利于進一步衍生化；堿性的氫氧化鈉溶液可以從氯仿中高回收率的提取E2。這是因為在堿性條件下雌激素可以解離成離子，增大了溶解度。相反，中性或堿性有機物的溶解度會由于鹽析作用而減小。針對復(fù)雜基質(zhì)下污水和污泥基質(zhì)，我們課題組嘗試將堿液提取結(jié)合SPE凈化，從雌激素分析結(jié)構(gòu)及其理化性質(zhì)入手，聯(lián)合并充分發(fā)揮多種凈化方法的優(yōu)點，開發(fā)出一種更加簡便、凈化效果更好的雌激素前處理方法，建立了高回收率和消除基質(zhì)干擾的多種物質(zhì)的共檢測技術(shù)，應(yīng)用于基質(zhì)復(fù)雜環(huán)境樣品的凈化。
1.3 儀器分析
分析儀器的快速發(fā)展，給許多環(huán)境中痕量或超痕量存在的有機化合物分析提供了技術(shù)保障，雌激素的儀器分析最常用的是LC-MS/MS、GC-MS、GC-MS/MS。GC-MS或GC-MS/MS分析前需要對樣品進行衍生化，其最低檢測限（LOD）一般都在1ng/L以下。近些年LC-MS/MS由于靈敏度高、檢出限低，應(yīng)用更加廣泛。但LC-MS/MS分析時更容易受到基質(zhì)的干擾作用，樣品的前處理尤為關(guān)鍵。
2 污水廠濃度分布特征及其去除現(xiàn)狀
雌激素在各個國家的污水廠中均有檢出，其中E1、E2和E3的濃度多為幾ng/L至上百ng/L。例如，英國的七家污水處理廠出水中，1~50 ng/L的E2、1~80 ng/L 的E1和0.2 ~7.0 ng/L的 EE2被檢出。由于結(jié)合體會在環(huán)境中發(fā)生脫結(jié)合體作用形成具有雌激素活性的自由體，目前對結(jié)合體的研究報道逐漸增多�，F(xiàn)有研究顯示，雌激素結(jié)合體占到污水處理廠總雌激素負荷的高達60%。根據(jù)實驗室的降解實驗研究，脫結(jié)合體作用主要發(fā)生在葡萄糖苷酸結(jié)合體，而硫酸鹽結(jié)合體較為不易產(chǎn)生脫結(jié)合體的作用，因此污水中雌激素結(jié)合體多為硫酸鹽結(jié)合體，但研究亦發(fā)現(xiàn)葡萄糖苷酸結(jié)合體在污水原水中被檢出，濃度在20 ng/L以內(nèi)。
污水進入一級處理裝置沉砂池或沉淀池后，由于雌激素自由體的log Kow較高，很容易被吸附到固體物質(zhì)中去，但是很多研究表明，在這個階段，雌激素沒有明顯被去除，不同污水處理工藝對雌激素的降解效果不同。強化一級處理（添加FeCl3）對E1和E2的處理效率僅為14%和5%，而在進水條件相似的情況下，使用“SBR-微濾-反滲透”的處理工藝，對E1和E2的處理效率提高到了85%和96%。一家位于德國的脫氮除磷工藝污水處理廠，經(jīng)過初次沉淀池-反硝化池-硝化池-二次沉淀池處理后，污水中的E1、E2和EE2的去除率分別為大于98%、E2和大于90%。Hashimoto等比較了傳統(tǒng)活性污泥法和強化氧化溝法對雌激素的處理率，發(fā)現(xiàn)強化氧化溝法對E1和E2的處理率（76%~87%和93%~95%），高于傳統(tǒng)活性污泥法（41%~71%和85%）。Zorita等對瑞典污水處理廠中雌激素去除效果研究后發(fā)現(xiàn)，化學處理可使55%~70%的雌激素被去除，沙濾顯著調(diào)高了雌激素的去除率，達到了90%以上。Zhou等對北京市三個污水處理廠進行調(diào)查，顯示E1、E2和E3的去除率分別為82.7%、68.4%和94.9%。Nie等對中國的一家應(yīng)用A2/O脫氮除磷工藝的污水處理廠污水中的雌激素進行了檢測，發(fā)現(xiàn)E2、E3和EE2的去除率都達到了90%以上，E1的去除率為75.4%�？梢姡摰谆钚晕勰喙に噷Υ萍に鼐哂休^好的去除效果。
目前，脫氮除磷活性污泥法研究重點在于如何提高脫氮除磷效果，尚未系統(tǒng)研究在脫氮除磷處理過程中內(nèi)分泌干擾物的生物降解特性。因此，如何強化脫氮除磷工藝對雌激素的降解效率是需要解決的科學問題。脫氮除磷污水處理系統(tǒng)中雌激素能否被微生物有效降解？影響其降解效率的主要因素有哪些？脫氮除磷污水處理系統(tǒng)中雌激素的分布規(guī)律和遷移轉(zhuǎn)化過程是什么？能否提出即能保證出水氮磷達標又能保證雌激素有效去除的工藝優(yōu)化參數(shù)組合？針對上述問題，我們探討分析了雌激素在分段進水A/O工藝中的去除和脫氮除磷的關(guān)系，在分段進水A/O污水處理小試裝置處于高脫氮或高除磷狀態(tài)下，考察了E1和E2的濃度沿程分布規(guī)律及其去除特征的差異性，希望為提高污水處理系統(tǒng)中雌激素的去除率，優(yōu)化工藝操作參數(shù)提高研究基礎(chǔ)。
與污水相比，污泥中雌激素的研究受到的關(guān)注較少。污泥主要通過厭氧消化、好氧穩(wěn)定化或化學處理（添加石灰）進行處理。Andersen等和Ternes等的研究發(fā)現(xiàn)，污泥厭氧消化的過程中，在產(chǎn)甲烷菌存在的條件下，雌激素幾乎沒有被降解。Czajka 和Londry的實驗室研究也發(fā)現(xiàn)，在厭氧條件下，污泥中的E2主要轉(zhuǎn)化為E1，E1僅僅降解了17%，EE2在一年后仍沒有被降解。然而，在Carballa等進行的厭氧中試反應(yīng)器中，卻記錄到了E1、E2和EE2的85%被降解，這也許與較長的污泥停留時間（SRT=10-30d）有關(guān)。據(jù)Nieto等的報道，污泥中E3的濃度高達272~406μg/kg·dw，污水中E3的去除率較高，也說明部分E3是被污泥吸附，由水相轉(zhuǎn)移到了泥相。
3 雌激素的生物降解特性研究進展
Ternes等報道，在通常的活性污泥處理系統(tǒng)中，E2和E1能夠得到一定程度的生物降解，但是EE2基本不被分解，顯示活性污泥中的某些微生物擔當一定的降解E2、E1的作用。Vader等報道硝化污泥可以降解EE2，但是未說明硝化污泥是否可以降解天然雌激素。Lee 等發(fā)現(xiàn)活性污泥可以降解E2為E1，E1降解為其他代謝產(chǎn)物的降解途徑。Colucci等報道 E2、E1和EE2能夠很快被農(nóng)田土壤中的某些微生物降解。史等報道硝化污泥不僅可以降解EE2 而且可以降解E1、E2和E3，降解反應(yīng)為一級動力學反應(yīng)，其中E2的降解速度最快；E2先被降解為E1，然后E1再被降解為其他產(chǎn)物；推定出硝化污泥對E2的降解過程中的2種中間生成物；發(fā)現(xiàn)硝化污泥降解雌激素過程中，類雌激素活性亦逐步降低，降解實驗?zāi)┢跇悠分械念惔萍に鼗钚灾饕怯蓺埩舻拇萍に厮鸬�。而Joss等的研究表明，在嚴格厭氧條件下，雌激素轉(zhuǎn)化途徑為E1轉(zhuǎn)化為E2，而不是E2轉(zhuǎn)化為E1。史等報道以雌激素作為唯一碳源，從牛糞堆肥中馴化篩選出EE2、以及 E2/E1的降解菌株HNS-1株-真菌類鐮刀菌Fusarium proliferatum。Fujii 等報道，從活性污泥中馴化分離出E2的降解菌新鞘氨醇桿菌屬Novosphingobium tardaugensn.sp。Yoshimoto 等報道從活性污泥中分離出馬紅球菌Rhodococcus zopfii和Rhodococcus equi（革蘭氏陽性桿菌）可以降解E1、E2、E3和EE2。史等報道硝化污泥中的硝化細菌-歐洲亞硝化單胞菌Nitrosomonas europaea能降解E1、E2、E3和EE2，降解反應(yīng)為零級動力學反應(yīng)，4種雌激素的分解速度沒有大的差異，E2的分解中未發(fā)現(xiàn)生成E1。從上述與硝化污泥不同的降解特征推斷，硝化污泥中一定存在著硝化菌以外的雌激素降解菌。隨后，從中馴化出了可降解EE2/ E2/E1的菌株FN-1株-紅球桿菌Rhodococcus equi。Ke 等報道，從經(jīng)超濾膜的二級處理出水處理的人造蓄水層沙土中分離出LHJ1、LHJ3和CYH菌株-Acinetobacter and Agromyces（瓊氏不動桿菌和壤霉菌屬），可以降解E1、E2、E3和EE2，推斷出三種EE2降解產(chǎn)物，并探討了雌激素結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)化途徑。這些研究表明，活性污泥對雌激素具有降解作用，并且硝化污泥比普通活性污泥降解雌激素的能力更強。然而，關(guān)于污水處理過程中雌激素降解效率與處理工藝的關(guān)系以及生物降解機理等還鮮見報道。有必要進一步探索污水處理廠對雌激素的去除效率與去除過程，研究處理工藝與雌激素的去除效率的關(guān)系；尤其是如何強化目前廣乏應(yīng)用的活性污泥脫氮除磷工藝對雌激素的降解效率是亟待解決的科學與技術(shù)問題。
4 雌激素的去除機理以及影響去除效果的工藝參數(shù)分析
對于雌激素在污水處理系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化及生物降解研究可概括為兩個方面：
一方面是實驗室條件下，利用不同污水處理系統(tǒng)中的污泥進行批次試驗。由于雌激素具有較大的泥/水分配系數(shù)，污泥吸附作用也是雌激素從污水中去除的重要途徑。天然雌激素在污泥中的吸附過程符合Freundlich吸附等溫式，并且吸附過程很快就能達到平衡。Joss等提出E1、E2、EE2在污水處理系統(tǒng)里的遷移轉(zhuǎn)化模式，包括了結(jié)合體轉(zhuǎn)化為自由體生物過程、E1和E2相互轉(zhuǎn)化過程，及其雌激素被污泥吸附的遷移分配過程。
另一方面，利用實際或模擬實際污水處理系統(tǒng)裝置，考察雌激素的遷移轉(zhuǎn)化及其影響因素。污泥停留時間（SRT）、水力停留時間（HRT）越大的污水處理系統(tǒng)，其雌激素去除率也有增大的趨勢。雖然這些研究結(jié)果，可以為實際污水處理廠提高雌激素去除率提供重要參考，但尚存在一些不足：實驗室條件下進行的污泥降解與吸附實驗中，通常投加雌激素的濃度比實際污水中的濃度要高，不能代表實際污水中雌激素的含量；現(xiàn)場采集并運回至實驗室的活性污泥，在實驗室培養(yǎng)條件下其特性也會發(fā)生變化，其污泥降解能力和吸附能力均有一定的改變；考察實際污水處理廠時，雖然直接獲取了最有指導(dǎo)意義的數(shù)據(jù)，但是不能根據(jù)試驗條件而自由改變工藝參數(shù)，故具有很大的局限性；此外，目前進行模擬試驗時用的多為人工配水，但實際污水要比這復(fù)雜得多。因此，有必要進一步探討真實污水條件下雌激素在污水處理裝置中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。
A/O工藝是80年代提出的前置反硝化生物脫氮系統(tǒng)，但由于該工藝需要外加有機碳源和補充堿度等缺陷，有專家提出了分段進水A/O脫氮工藝。該工藝反應(yīng)體積小，無需內(nèi)回流，具有較高的脫氮能力，因此廣泛適用于要求深度脫氮的污水處理廠設(shè)計和改擴建中。多級A/O工藝特征決定了工藝操作和控制的復(fù)雜性，其進水分配比及缺、好氧體積比等工藝操作條件，往往需要較長時間的實際工藝運行、優(yōu)化才能處于較佳狀態(tài)。一些研究探討了操作參數(shù)對多級A/O工藝凈水效果的影響，來尋求較佳工藝參數(shù)值。史等利用具有較好脫氮能力的分段進水A/O污水處理小型試驗裝置，對實際的城市生活污水進行處理；并基于Stella 9.0.1軟件建立了分段進水A/O小試的ASM3水處理模型，可以用來考察在不同的工藝操作條件下，各段水相和污泥相中雌激素的濃度變化，探討雌激素在分段進水A/O工藝中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。
污水處理廠對雌激素的去除效果受多種工藝條件參數(shù)的影響，例如微生物活性、污泥停留時間（SRT），水力停留時間（HRT）、溫度、降雨以及好氧厭氧條件等。從以往的報道中可以發(fā)現(xiàn)，不同工藝的污水處理廠對E1、E2和EE2的去除率不同，這與污水處理工藝不同以及處理單元、工藝參數(shù)等有直接的關(guān)系。Lee等的研究表明，污水處理廠中雌激素的降解和遷移取決于污水處理廠的設(shè)計和運行參數(shù)。工藝操作參數(shù)的改變對污水處理系統(tǒng)運行狀態(tài)影響很大，Suzuki等對英國污水處理廠的研究表明，較長的水力停留時間可以取得較好的E1、E2和EE2去除效果，水力停留時間為13h左右時，去除效果明顯比2-5h要好。Svenson等調(diào)查了瑞典20座污水處理廠進出水中雌激素的濃度，其中，Kävlinge污水處理廠水力停留時間為20h，對雌激素實現(xiàn)了較好的去除效果。增加污泥停留時間可以明顯的提高污水中雌激素的去除效率。Andersen等調(diào)查的一家冰島污水處理廠由傳統(tǒng)的活性污泥處理升級為脫氮處理，具有了較高的污泥停留時間，從<4d增加到11-13d，使污水中90%左右的EE2被去除。增大污泥齡可以使高污泥齡的氨氧化細菌生長，從而在高SRT處理工藝條件下實現(xiàn)雌激素高去除率效果。
5 今后研究展望
我國尚缺乏相應(yīng)的污水處理廠出水雌激素水質(zhì)標準，英國污水處理廠出水雌激素的建議標準為雌激素總濃度（[E1]/3+E2+10[EE2]）小于或等于1ng/L。為迎接未來我國雌激素出水水質(zhì)標準的建立或頒布，需要針對我國污水處理現(xiàn)狀，開展水處理工藝的優(yōu)化組合或新型處理工藝的研發(fā)工作。
進一步開展示范性工程現(xiàn)場試驗研究，提高脫氮除磷處理工藝中雌激素等有毒有害痕量有機物的的去除效果，系統(tǒng)性考察不同工藝運行狀態(tài)下這些物質(zhì)的去除、濃度分布特征和脫氮除磷的關(guān)系，深入探討HRT、SRT等工藝參數(shù)對雌激素去除效率的影響，尋找即具有高效脫氮除磷效率又能夠提高這類污染物去除率的污水處理工藝及其參數(shù)。
來源：給水排水
