人工湿地去除生活污水中类固醇激素

　　人工湿地系统(CWs)是一种模拟自然湿地生态系统的污水处理系统，通常采用过滤、吸附、沉淀、离子交换、氧化还原、微生物分解等方法。与传统污水处理技术相比，人工湿地具有成本低、操作简单、维护费用低等经济环保优势。人工湿地系统已经被用于处理国内的大量废水、农业废水、垃圾渗滤液、富营养化水体、采油废水。激素已被广泛应用于人类疾病的治疗和促进牲畜的生长等方面。激素经人体或动物使用后不会完全被吸收和代谢，而是以母体或活性代谢物的形式随粪便或尿液排出，从而对人体健康和生态系统构成潜在风险。目前，传统的污水处理厂无法有效去除水中的激素，因此污水处理厂的出水成为了水环境中激素的重要来源之一。为了有效控制激素在废水处理源头的扩散，迫切需要在现有废水处理技术的基础上，优化和研发具有针对性的去除技术，有效去除激素。多数人工湿地系统只考虑化学需氧量(COD)、生物需氧量(BOD)、氨氮(NH+4-N)、总氨(TN)等常规污染物的去除，因此，发展高效的激素去除技术，研究激素的去除机理，对于减少激素的污染具有重要意义。

　　本文分别以牡蛎壳、沸石、麦饭石和陶粒为基质，研究12个中试水平潜流人工湿地单元对COD、TN、NH+4-N以及激素的去除效果进行研究。

　　一、材料与方法

　　1.1试剂、实验材料及仪器设备

　　28种目标化合物和6种内标物质的名称、缩写、CAS号及分子式如表1所示。试剂：二氯甲烷、甲醇、乙腈、乙酸乙酯和正已烷均为色谱纯，购于德国Merk公司和德国CNW公司；甲酸购于美国Tedia公司;乙酸铵购于美国Sigma-Aldrich公司;超纯水采用Milli-Q超纯水器(Millipore公司，美国)制取。

　　实验材料：HLB固相小柱(6mL，500mg)购于美国Waters公司;玻璃纤维滤膜(GF/F，孔径0。7μm)购于英国Whatman公司;尼龙滤膜(13mm×0.22μm)购于上海安谱公司。玻璃器皿使用前先经洗洁精洗涤，再用自来水冲洗、超纯水水冲洗，经干燥箱烘干后置于马弗炉(400℃)中焙烧4h。

　　仪器设备：场发射扫描电子显微镜(FE-SEM，ULTRA55，GermanyZEISS)、傅里叶变换-红外光谱仪(FT-IR，TENSORII，英国Bruker)、真空冷冻干燥机(OsterodeamHarz，德国CHRIST)、涡旋混合器(XW-80A，上海精科仪器厂)、离心机(Ananti30，美国Bechman)、氮吹仪(MTN-2800D，天津奥特赛恩斯仪器有限公司)、旋转蒸发仪(RotavaporR-3，瑞典Buchi)、16孔固相萃取装置(VisiprepTMDL，美国Alltech)、超高效液相色谱串联G6460A三重四级杆质谱(UHPLC-MS/MS)(1200系列，美国Agilent)。所有标准样和相应的内标样均溶于甲醇配成100mg/L的单标储备液，所有储备液均保存于容积为125mL的窄口棕色试剂瓶中，混合标准样和混合内标样分别溶于甲醇中配成质量浓度为1mg/L的储备液，保存于容积为20mL的棕色试剂瓶中。工作液则在实验前由储备液以小于10倍梯度逐渐稀释而得。所有储备液均置于冰柜中-20℃下保存备用。

　　1.2中式人工湿地系统的建立

　　采用中试实验基地的12个中试人工湿地单元进行基质种类和水力负荷的优化实验。将每个水平潜流式湿地单元的长、宽、高分别设定为0.8、0.6、0.8m，基质填埋高度设定为0.65m，污水控制高度设定为0.6m。本实验不考虑植物种类对污染物去除效果的影响，在各单元内种植2行3列(共6颗)的风车草。人工湿地系统所选用的填充基质分别为：牡蛎壳、沸石、麦饭石和陶粒;每种基质的质量分别为：牡蛎壳7.5×104g；沸石5.5×105g；麦饭石4.0×105g；陶粒3.0×105g。水力负荷设定为：10、20和30cm/d；24h不间断进水，通过流量计进行湿地系统水力负荷的控制(图1)。污水来源于约330人的小区内下水道的生活废水；污水在进入湿地系统单元之前需要进入容积约4.3m3的稳定池中进行沉淀操作。该湿地系统通过定时监测水质参数，确定其稳定运行一年后，开始进行样品的采集。

　　1.3样品的采集

　　12个中试人工湿地单元按照统一命名方式：CW-基质名首字母-HLR(水力负荷)，分别进行命名，并用W0、W1、S1等进行编号。例如：湿地进水(W0)、CW-O-10(W1和S1)等，具体信息如表2所示。采集13个采样总时间为72h的混合水样，即每个湿地单元每隔8h采集1次，连续3d共采集9次相同体积的水样并混合。各单元分别设置3个出水口(图1)。从底部出水口收集的水样用于常规污染指标和激素去除率的分析。

　　常规污染指标分析所用水样装入洁净的矿泉水瓶，保存在冰柜(-20℃)中等待分析；激素去除分析所用水样装入3支1L容积的棕色瓶装，每个棕色瓶中加入50mL甲醇(抑制微生物活性)以及适量硫酸(调节水样的pH至3左右，1L水样加入约0.4mL4mol/L的硫酸)。

　　在水样采集完成后进行基质样品的采集。从每根基质采样管的每个采样点取等体积的水样，将采自9个采样点的基质样本混合作为混合基质样本，保存于容积为500mL的组织培养瓶中，加入适量的叠氮化钠(NaN3)来抑制微生物的活性。所有样品均在4℃冷藏下运输和存储，并在24h内提取物质。基质样品经过冷冻干燥后提取激素，然后进行均一化过筛(孔径250μm)，最后在-20℃、黑暗环境中保存直至激素提取完毕。

　　1.4前处理及分析方法

　　1.4.1水样的提取方法使用容积为1L的棕色瓶采集水样，每个样品点取3个平行水样，分别标记-1、-2、-3，经70μm孔径的GF/F滤膜滤去颗粒物。将负载颗粒物的滤膜剪碎，装入到容积为30mL的离心管中，往离心试管中加入10mL甲醇，涡旋30s，放入超声清洗器中超声10min，以3000r/min的转速下离心5min后取上层清液倒入对应的1L水样中;第二次提取滤膜的溶剂为5mL甲醇与5mL甲酸(0.1%，体积分数)，重复以上超声、离心和转移上清液等操作步骤。在每个水样中加入约0.5gNa4EDTA以及激素混合内标(T-d3、E1-d4、P-d9、E2-d4、S-d4、Crl-d2)100μL并将溶液混合均匀。加载水样采用HLB柱(500mg6mL)，加载前用10mL甲醇和10mL水活化柱子;水样以5~10mL/min的速度流过HLB小柱;加载完水样，每个棕色瓶均用25mL的5%甲醇水混合溶液润洗2次;在润洗后向每个柱子中加入10mL超纯水洗去残留的Na4EDTA。将HLB小柱抽干30~60min，随后向HLB小柱中依次加入5mL甲醇、4mL乙酸乙酯和3mL二氯甲烷进行洗脱;使用氮气将洗脱液中的有机溶剂缓慢吹干，使用1mL的Merk甲醇定容，经孔径为0.22μm的有机相滤膜过滤后保存于2mL进样小瓶中，置于冰箱内-20℃下保存，待测。

　　1.4.2基质样品的提取方法采用真空冷冻干燥

　　机冻干后取2g基质样品于容积30mL的离心试管中，加入100μL激素混合内标液，置于冷库中4℃下静置一晚。次日往离心管中加入10mL甲醇，涡旋20s，超声15min，以3000r/min转速离心10min，取上清液至容积为300mL的平底烧瓶中，重复提取3次;加超纯水稀释，定容为300mL，并加入30μL4mmolH2SO4，将pH调至3。0。采用200mgHLB柱吸附，加载前用10mL甲醇和10mL超纯水活化，以5~10mL/min的流速加载稀释后的提取液。随后采用25mL甲醇水溶液(5%，体积分数)润洗平底烧瓶2次。将HLB小抽干30~60min，再向HLB小柱中加入4mL乙酸乙酯(CNW)，进行洗脱，共洗脱3次;使用氮气将洗脱液中的有机溶剂缓慢吹干，使用1mL的Merk甲醇定容，经孔径为0.22μm的有机相滤膜过滤后保存于容积为2mL的进样小瓶中，置于冰箱内-20℃下保存，待测。

　　1.5仪器分析方法

　　所有目标化合物均采用超高效液相色谱-串联质谱(UHPLC-MS-MS)进行分析，其中超高效液相色谱(UHPLC)测试采用Agilent1200型仪器，MS-MS采用Agilent6460A型仪器，采用电喷雾离子源(ESI)、多重反应模式(MRM)，色谱柱为AgilentZor￣baxSB-C18(3.0mm×100mm，1.8μm)，柱前端连接1个在线过滤器(2.1mm，0.2mm)，去除流动相和样品中的细小颗粒物。

　　质谱条件：在ESI离子源、正模式条件下，采用甲醇与甲酸+乙酸铵混合液(5mmol乙酸铵+0.05%甲酸)作为流动相，流速为0。3mL/min，进样量为10μL，柱温为40℃，雾化器压力为344kPa，毛细管电压和喷嘴电压分别为3500V和0V，干燥气温度和流速分别为350℃和8L/min，鞘气温度和流速分别为350℃和12L/min。ESI+模式下母离子为[M+H]+。

　　YSI水质参数仪用于湿地系统中水质参数(包括：温度、pH、溶解氧质量浓度ρ(DO)、氧化还原电位和电导)的实时监测。常规污染质量浓度指标包括ρ(COD)、ρ(TN)和ρ(NH+4-N)测定则采用相应的标准方法进行检测。

　　1.6基质的扫描电镜表征与红外光谱分析

　　利用场发射扫描电子显微镜对所有基质样品进行形貌表征。采用傅里叶变换-红外光谱仪对4种湿地基质运行前后的表面基团进行分析，样品采用KBr压片法制备，分辨率为4cm-1，采用64次累积扫描，波数范围为500~4000cm-1。

　　1.7数据处理

　　基础数据通过Excel2010进行分析和计算，包括目标污染物的平均值和标准差。激素通量的计算可以反映出不同运行条件下人工湿地单元对激素的去除能力。通过每日进入湿地系统中的激素总通量减去出水中剩余的激素总通量，可以得到该湿地系统单元每天去除的激素总量。水相中激素总量可以根据激素质量浓度与湿地单元流量之积得到，即：

　　Mi=ρiQ，

　　其中，Mi指污染物i在水相中的总通量(g/d或μg/d);ρi指污染物i在水相中的质量浓度(mg/L或ng/L);Q指每天流过人工湿地单元水量(m3/d)。人工湿地系统对污染物的去除通量等于进水中污染物质通量与减去出水中的污染物质通量。

　　质量平衡核算可以衡量不同运行条件下人工湿地单元对激素的去除能力。假设在采样前各单元都处于稳定运行的状态。通过质量平衡核算可以判断各污染指标的排放量，从而计算出各污染指标进出湿地单元的流量：

　　M′i=ρiQt，

　　M″i=wiM，

　　其中，Mi′和Mi″分别指污染物i在水相和固相(颗粒、基质)中的通量(g或μg)；ρi和wi分别指污染物i在水相中的质量浓度(mg/L或ng/L)和固相中的质量分数(mg/g或ng/g)；Q指每天流过人工湿地系统的水流量(m3/d)；M指人工湿地系统中基质的总质量(kg)；t是指湿地系统稳定运行的总时间(d)。

　　二、结果与讨论

　　2.1人工湿地系统基质的特征

　　由SEM图(图2)可以直观看出备选的4种基质的形貌。蛎壳和麦饭石均为层状结构，其中牡蛎壳为团聚体;沸石和陶粒均为孔状结构，其中沸石为微孔结构(孔径<2nm)，而陶粒为大孔结构(孔径>50nm)。结果表明：沸石和陶粒的比表面积均比牡蛎壳和麦饭石的大。

　　不同运行条件下湿地基质的FT-IR谱(图3)可表征不同填料的表面基团以及探索填料空隙Si―O键的对称和反对称伸缩振动峰位于波数为700~1500cm-1的区域;Si―O四面体的二级结构振动峰位于400~700cm-1;羟基振动峰位于3500cm-1，且羟基是填料化学反应的关键基团。由于牡蛎壳的主要成分为CaCO3，所以C―O振动峰位于1417cm-1，而其他3种填料都存在Si―O键的强振动峰。另外，由于Si(Al)―OH的贡献，沸石和麦饭石的红外光谱曲线在波数3500cm-1左右也出现了振动峰。

　　2.2人工湿地系统的运行情况

　　12个中试人工湿地单元的水质参数(温度、pH、ρ(DO)、氧化还原电位和电导率)和常规污染指标ρ(COD)、ρ(TN)和ρ(NH+4-N)的去除率检测结果见表3~表7。结果表明：在12个不同条件下的中试人工湿地单元中，COD的去除率范围：35.3%~74.0%；TN的去除率范围：16.1%~45.9%；NH+4-N的去除率范围：9.2%~34.8%；出水中溶解氧的质量浓度范围：0.44~0.72mg/L；pH保持相对稳定(7.93~8.16)。

　　2.3激素的质量浓度与去除率

　　在进水中共检出9种激素物质(图4)，分别为雄烯二酮、17α-勃地酮、17β-勃地酮、1，4-雄烯二酮、雄酮、羟孕酮、甲孕酮、黄体酮及睾丸素(6.32~1113ng/L)

　　在进水中，雄酮的质量浓度最高(1113ng/L)；其次为1，4-雄烯二酮和雄烯二酮，质量浓度分别为498.00、335.00ng/L；黄体酮、17α-勃地酮、羟孕酮、17β-勃地酮、甲孕酮、睾丸素的质量浓度较低，分别为50.40、43.50、15.50、10.50、7.61、6.32ng/L。

　　在基质样品中只检出1，4-雄烯二酮和雄烯二酮2种激素(0.16~1.88ng/g)(表8)。在4种基质以及3种水力负荷条件下，中试人工湿地单元对激素的去除率差别较大：

　　(1)对低质量浓度的羟孕酮、甲孕酮、睾丸素的去除率均达到了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)质量浓度最高的雄酮其去除率波动较大(-1.0%~92.1%)，而黄体酮的去除率在32.5%~88.3%范围;

　　(4)对于17α-勃地酮，在以牡蛎壳为基质时其去除率在72.3%~89.7%范围，而以沸石、麦饭石、陶粒为基质时其去除率均达到了100%;

　　(5)对于17β-勃地酮，只有在水力负荷为10cm/d且基质为沸石、麦饭石、陶粒的情况下，其去除率达到100%，而在其他基质情况下其去除率均在43.8%~80.1%范围。

　　中试湿地单元对总激素的去除率在27.7%~94.9%之间(图5)，其去除规律为：在相同基质条件下，中试人工湿地单元对总激素的去除率随着水力负荷的增加而减小;水力负荷越小湿地单元对总激素的去除率越高;在相同的水力负荷条件下，去除率由高至低的湿地单元基质种类依次为麦饭石、陶粒、沸石、牡蛎壳

　　2.4人工湿地系统中污染物的质量平衡核算

　　通过对进水、出水中污染物通量和质量平衡的计算，可以评价湿地系统对污染物的去除能力。计算9种激素和COD、TN、NH+4-N的日去除通量，列于表9。对于COD的进水通量分别为5.61、11.2和16.6g/d的污水，经过4种基质的湿地单元处理后，在不同水力负荷(10、20和30cm/d)条件下，COD、TN、NH+4-N的日去通量分别在3.81~10.10、0.42~1.07、0.31~0.80g/d范围;相应地，在3种水力负荷下，进水中检出的激素通量分别为20.8、41.6、62.4μg/d，经过4种基质的湿地单元处理后，激素的日去除通量在14.2~19.7、23.8~27.8、17.3~28.7μg/d范围。总激素的日去除通量在14.16~28.65μg/d范围。结果表明：沸石基质人工湿地系统对激素和常规污染物的去除能力最大;污染物在人工湿地系统的日去除通量随水力负荷的增加而增大。

　　2.5人工湿地系统对激素的去除效果评价

　　在12个不同运行条件下(4种基质：牡蛎壳、沸石、麦饭石和陶粒;3个水力负荷：HLR=10、20、30cm/d)的中试人工湿地单元进水中共检出9种激素，且不同运行条件对激素的去除效果影响较大。

　　对比发现，相同水力负荷条件下，以沸石为基质的人工湿地单元(HLR=10cm/d的情况除外)对常规污染指标(COD、TN和NH+4-N)以及总激素的去除效果最佳。在4种湿地基质中，只有沸石同时具有微孔结构和Si―OH键，正是因为这2种特性，使得沸石可以吸附污染物，为微生物的附着与生存提供了更大的表面积和活性位点[26]。由于沸石的微孔特性和Si―OH键的存在，以沸石为基质的人工湿地单元对生活污水中常规污染指标和激素的去除效果最好。此外，随水力负荷的增加目标污染物的去除率降低;同时，通过增加水力负荷可以提高系统对污染物的去除通量。因此，综合考虑去除率和去除通量，以沸石为基质、HLR=20cm/d的人工湿地单元对生活污水中污染物的处理效果最佳。

　　在湿地系统运行期间，3种水力负荷下进水中激素的总通量达到了22776、45552、68328μg，经湿地系统处理后，12个湿地单元出水的激素总通量范围：1476~65848μg，其中，基质吸附了4。5~819μg。通过计算得到这12个湿地单元对激素的总去除率、基质吸附率(表10)，结果表明：基质吸附的贡献很小。在湿地单元的4种基质中，2种激素(1，4-雄烯二酮和雄烯二酮)被检出，说明基质吸附是湿地系统对激素(特别是1，4-雄烯二酮和雄烯二酮)的去除途径之一。鉴于激素物质在湿地系统中通过水解、光催化降以及蒸腾作用去除的效果微乎其微。另外，对所有检出的激素物质进行质量平衡核算的结果显示，基质吸附量只占湿地系统对污染物去除量的很小一部分(图10)。因此，我们认为湿地系统对激素物质的去除主要依靠微生物的降解。实际上，多数研究表明：污水处理对于激素的去除主要依靠微生物降解，微生物群落越丰富，代谢能力越强，去除效果也越强

　　三、结论

　　在不同参数条件下，水平潜流人工湿地单元对常规污染指标(COD、TN和NH+4-N)和激素去除效果差别较大;综合考虑湿地系统对污染物的去除率和去除通量的影响，选择沸石基质、HLR=20cm/d的水平潜流人工湿地单元为最佳系统。在最优化条件下，水平潜流人工湿地单元对激素的去除效果能够接近甚至高于污水处理厂的去除率，说明优化后的水平潜流人工湿地系统可以作为生活污水中激素的去除处理工艺。基质吸附和微生物降解是人工湿地系统去除激素的重要途径，且微生物降解占主导地位。（来源：华南师范大学环境学院∥广东省化学品污染与环境安全重点实验室∥教育部理论化学重点实验室）