典型EDCs在A2/O-MBR组合工艺中的迁移行为

吴春英，白鹭，谷风，陆文龙

（1.吉林化工学院资源与环境工程学院，吉林市132022；

2.清华大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京100084）

典型EDCs在A2/O-MBR组合工艺中的迁移行为

吴春英1，2，白鹭1，谷风1，陆文龙1

（1.吉林化工学院资源与环境工程学院，吉林市132022；

2.清华大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京100084）

以环境水体中21种典型内分泌干扰物（EDCs）为目标物，对其在某城市污水处理厂厌氧-缺氧-好氧与MBR的组合工艺（A2/O-MBR）中的迁移和归趋进行了长期研究。结果表明，该工艺对21种EDCs有很强的去除能力。EDCs在A2/O-MBR工艺中泥水两相的迁移行为用泥水分配系数（Kd）来表示，得到的较高的泥水分配系数表明污泥对EDCs有一定的吸附作用，水相中大部分EDCs是通过污泥吸附来去除。

内分泌干扰物质；雌激素活性；A2/O-MBR；迁移行为

内分泌干扰物（EDCs）是近年来被广泛关注对生物体具有潜在危害的一类外源性物质，它通过干扰生物体的内分泌系统从而影响生物体的生殖发育、免疫、新陈代谢，导致性激素分泌量及活性下降，

使繁殖能力低下甚至出现变异〔1-3〕。研究表明，长期暴露在EDCs环境中，无脊椎动物、鱼类、两栖动物、哺乳动物都会受到一定的危害〔4-7〕。EDCs的种类很多，包括多溴联苯醚（PBDEs）、烷基酚、双酚A（BPA）及其衍生物以及类固醇激素，如天然的雌酮（E1）、雌二醇（E2）、雌三醇（E3），人工合成的乙炔基雌二醇（EE2），二乙基人造雌性激素等。

传统的处理工艺不能有效地去除EDCs这一类微量有机污染物，因此城市污水排放是EDCs进入环境的重要途径。膜生物反应器（MBR）由于具有污泥龄长、生物量浓度高、食微比（F/M）低和剩余污泥量少等优点被广泛应用于城市污水回用处理中。然而其与传统的生物处理工艺结合起来应用于微量有机污染物去除，以及EDCs在工艺流程中的迁移转化的研究还鲜有报道。笔者以某城市污水处理厂运行的厌氧-缺氧-好氧-MBR（A2/O-MBR）组合工艺为研究对象，选取雌激素及酚类物为主的21种内分泌干扰物质为目标物，研究该组合工艺各单元中目标物的去除特性，解析EDCs在A2/O-MBR工艺中的迁移转化规律，以期为EDCs去除机理的研究及工艺运行的优化提供参考。

1 材料与方法

1.1 工艺流程和取样

某城市污水处理厂采用A2/O—MBR—反渗透（RO）工艺，处理量为60 000m3/d，服务人口50万，工艺流程如图1所示。

图1 污水处理工艺流程

原污水通过曝气沉砂池和细格栅后进入A2/O系统，好氧池出水进入膜池，经膜过滤得到一般再生水，其中一部分输入再生水管网供给用户，另外约10 000m3则经过RO进一步净化后补给城市景观绿化用水系统。膜池按400%的回流比将污泥回流至好氧池，好氧池末端按500%将硝化液回流至缺氧池前段，缺氧池则按120%的回流比进一步将混合液回流至厌氧池。A2/O-MBR组合工艺总体积36 200m3，厌氧池、缺氧池、好氧池、MBR体积分别为4 125、13 375、17 500、1 200 m3，MLSS分别为4.3、7.9、9.4、11.5 g/L，平均MLSS 8.33 g/L，平均BOD5负荷0.26 kg/（kg·d），平均SRT=16.6 d。

以细格栅后出水作为本研究的进水，以MBR出水为本研究的出水，同时分别在厌氧池、缺氧池、好氧池、MBR池取水，分析样品中的EDCs浓度、雌激素活性（EEQ），同时对常规污染物COD、氨氮（NH4+-N）、总氮（TN）、总磷（TP）及总固体悬浮物（TSS）进行分析。

1.2 试剂及分析方法

1.2.1 化学试剂

21种目标物的标准品，雌酮（E1）、雌二醇（E2）、雌三醇（E3）、炔雌醇（EE2）、17α-雌二醇（17α-E2）、戊酸雌二醇（EV）、环戊丙酸雌二醇（EC）、苯二甲酸雌二醇（EB）、美雌醇（EE3Me）、己烷雌酚（HES）、己烯雌酚（DES）、双烯雌酚（DIES）、辛基酚（4-OP）、壬基酚（4-n-NP）、双酚A（BPA）、双酚B（BPB）、双酚C（BPC）、双酚F（BPF）、双酚S（BPS）、双酚AF（BPAF）、双酚AP（BPAP）均购自于日本Wako公司，内标物17β-雌二醇-氘2（17β-E2-d2）由Dr.Ehrenstorfer，（Augsburg，Germany）提供。各标准品的纯度在98.3%以上。

标准溶液采用甲醇作为溶剂配制，并保存在-18℃。甲醇等均购自于美国Fisher公司；实验用所有溶剂均为HPLC级或以上，实验用水均为超纯水。

1.2.2 分析方法

污水样品500mL经玻璃纤维（GF/B）过滤后，使用固相萃取装置（20-Position Extraction Manifold，Waters）进行目标物富集。萃取小柱（OasisHLB 6 cc/ 200 mg Cartridge，Waters）经10 mL二氯甲烷/丙酮（体积比85∶15）淋洗，洗脱液在微量氮气流下吹脱干燥，再用1mL二氯甲烷/丙酮（体积比85∶15）溶解。再溶后离心，取上清液置于200μL内插管中（离心参数4℃、3 000 r/min、15min）用以进行UPLC/MS/ MS分析〔8〕。泥样经超声溶剂萃取后同水样的预处理方法一样。

COD、氨氮、总氮、总磷等常规水质指标的测定均参考《水和废水监测分析方法》（4版，2002）。

雌激素活性测定：重组酵母雌激素活性筛检（YES）法；β-半乳糖苷酶活性测定：取200μL的上述稀释后的测试菌体液，培养，显色反应至最大显色程度。加入500μLNa2CO3（1mol/L）终止显色反应，15 500 r/min下离心10min，取200μL上清液于96微孔板中，用酶标仪测定吸光度（波长420 nm）。按式（1）计算β-半乳糖苷酶活性。

式中：u——β-半乳糖苷酶活性；

OD420——样品（或标准品）在420 nm处的吸光度；

OD420b——空白对照在420 nm处的吸光度；

OD600——稀释后的菌液在600nm处的吸光度；

V——测试培养液体积，0.2m L；

N——稀释倍数；

t——显色时间，min。

每一微孔板中样品的活性评价均以该板中E2的剂量-响应曲线为对照。

雌激素活性比（RP）及E2当量（EEQ）计算：测试中目标物的响应可通过与E2的响应比较来反映，并按剂量对数绘图描述。目标物RP可称为E2当量因子，通过目标物i的EC50与E2的EC50之比计算得到，见式（2）。

式中：RP（i）——每种目标物的雌激素活性比；

EC50（i）——表示诱导β-半乳糖苷酶活性达到浓度为2×10-10mol/LE2的β-半乳糖苷酶诱导活性（为最高诱导活性）50%时各目标物浓度，mol/L；

EC50（E2）——表示诱导β-半乳糖苷酶活性达到浓度为2×10-10mol/L E2的β-半乳糖苷酶诱导活性（为最高诱导活性）50%时E2浓度，mol/L。

试验中EEQ的确定：首先将样品的雌激素活性表达为同一微孔板中E2（阳性对照）的最大响应的百分数（相对活性），并绘制相应样品的相对活性-样品浓缩倍数对数的剂量-响应曲线图。样品的EEQ可按式（3）计算。

式中：EEQ——E2当量雌激素活性，ng/L；

272.38 ——E2的摩尔质量，g/moL。

当某一批次测定中有样品的最大相对响应低于50%时，该批次样品采用EC20或EC10取代式（3）中的EC50进行计算〔9〕。

为了将生物分析结果与化学分析结果相比较，评估目标物对样品的总体雌激素活性的贡献，试验中按式（4）确定样品的理论雌激素活性当量（EEQC）。

式中：ci——样品中目标物质量浓度，ng/L。

2 结果与讨论

2.1 A2/O-MBR组合工艺对常规污染物的去除

取样期间，A2/O-MBR工艺对常规污染物TSS、COD、NH4+-N、TN、TP的去除情况如表1所示。

表1 A2/O-MBR对常规污染物的去除性能

由表1可知，TSS、COD、NH4+-N、TP的去除率均达到95%左右，甚至超过95%，TN的去除率达到78%，出水中4项常规水质指标均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）1级A标准。这些结果表明该工艺对常规污染物的去除效果良好，工艺运行稳定。

2.2 目标物EDCs在A2/O-MBR工艺流程中的去除行为

2.2.1 EDCs在A2/O-MBR工艺进出水中的浓度变化

目标物EDCs在进出水中的平均浓度如图2所示。

图2 EDCs在A2/O-MBR工艺进出水中的浓度

进水中BPA的质量浓度最高，达到219.1 ng/L。HES、DES、DIES的进水平均质量浓度较低，分别是4.6、7.5、5.5 ng/L。对于天然雌激素类，平均进水质量浓度分别是E1为118.7 ng/L，E2为144.3 ng/L，17α-E2为25.6 ng/L和E3为109.6 ng/L。进水中天然雌激素除17α-E2外，均超过100 ng/L，这可能是天然雌激素主要来源于人和野生动物的排泄物，因

此大量直接进入水体中。此外，城市污水处理厂进水中存在天然雌激素也可能与当地的养殖业尤其是奶牛场有关。有研究表明，奶牛场的排放废物是天然雌激素的一个重要来源〔9-10〕，并且R.E.Erb等〔11〕认为，奶牛所排泄的雌激素中90%是以单体和共轭体形式存在的17α-E2、E2、E1。检测出合成雌激素EE2的进水平均质量浓度为127.5 ng/L，高浓度的EE2可能由于近年来中国实行计划生育政策，以EE2为主要构成成分口服避孕药的大量使用。出水中EDCs质量浓度均在6.7 ng/L以下。EDCs在A2/O-MBR工艺的进出水中有明显的差异，特别是BPA等双酚类、E1、E2、E3和EE3Me这几种典型EDCs的出水浓度较低，去除率达到95%以上，几乎被完全除去。这可能因为这些EDCs属于疏水性物质，被污泥吸附的原因。尽管DES、DIES、4-OP和4-n-NP这4种EDCs的去除率不是很明显（分别为85.1%、84.9%、75.8%、77.1%），但它们在出水中的浓度很低，明显低于传统活性污泥工艺处理的出水中浓度。

2.2.2 泥相中EDCs在A2/O-MBR工艺中的沿程分布为了考察目标物EDCs在工艺系统中的归趋，同时检测了厌氧池、缺氧池、好氧池和膜池的污泥中的EDCs含量。泥相中21种EDCs的质量浓度从45.75 ng/g（BPAF，厌氧池）到2 342.83 ng/g（BPA，好氧池）的范围不等，如图3所示，污泥对各物质的吸附能力有着明显的差异。污泥对BPA的吸附能力明显高于其他物质。这些结果表明污泥吸附是EDCs被去除的主要途径之一，也即污泥吸附对EDCs的去除有一定的贡献。

图3 EDCs在工艺流程污泥中的浓度分布

2.2.3 EDCs在泥水两相中的去除行为

为了进一步解析污泥对目标物EDCs的吸附能力，选取吸附系数Kd来表征目标物质在泥水两相中的分配行为〔12-13〕。Kd的定义见式（5）。

式中：Kd——吸附系数，L/kg；

CS——单位质量活性污泥的吸附量，μg/kg；

CW——水相中目标物的质量浓度，μg/L。

利用式（5）计算目标物EDCs在A2/O-MBR工艺流程各单元中的Kd，结果如表2所示。

表2 EDCs在工艺流程各单元的KdL/kg

通常，Kd大于500 L/kg时，可认为该物质发生了明显的吸附作用。由表2的结果可知，21种EDCs在A2/O-MBR工艺各单元中的Kd都高于5 000 L/kg，尤其是激素类和双酚类物质的Kd几乎都高于10 000 L/kg，表明污泥对EDCs具有很强的吸附能力，也就是说这些EDCs在生物反应池中的去除主要是通过污泥吸附完成的，也验证了EDCs在该工艺中的高去除率。这与A.Joss等〔14-15〕得到的结论类似。

2.3 A2/O-MBR工艺系统中雌激素活性的变化

为进一步评价目标物在工艺流程中的雌激素活性以及对内分泌干扰物质的整体去除情况，测定了每种目标物EDCs的雌激素活性和总体雌激素活性的当量值EEQ。并将测得的实验值和理论计算值进行比较，结果如图4所示。

进水中检测到高达73.9 ng/L的EEQ值，其沿工艺流程呈现出逐渐降低的趋势，在MBR出水中降低到4.7 ng/L。这表明尽管雌激素活性在工艺流程中几乎被去除，去除率达到95%，但出水中仍显

示出有一定的雌激素活性，表明其出水作为再生水的水源，仍然具有一定的环境风险，还需要进一步深度处理。实验测得的EEQ浓度能够与理论计算值相比较，并进行线性回归，具有良好的线性关系（R2= 0.959 8）。在工艺流程中实验值均略高于理论值，表明水体中还含有除以上目标物以外的雌激素类物质存在，使得β-半乳糖苷酶活性增大，从而表现出高的EEQ浓度。理论计算值与实验值同样在整个工艺流程中能够有效地被去除，尤其在厌氧段和缺氧段表现出相对较好的去除效果，整体雌激素活性去除率分别达到41%和80%。另外，从理论值的构成来看，EEQ值绝大部分来自EE2和天然雌激素，特别是天然雌激素在出水中的E2当量在60%以上，因此在污水处理过程中，更加有效地去除天然雌激素的工艺和技术还需进一步研究，并且应严格控制天然雌激素进入水体。

图4 工艺流程中雌激素活性理论值和计算值比较

3 结论

环境中典型具有内分泌干扰性的21种酚类化合物和雌激素物质在城市污水厂大型A2/O-MBR工艺中，进水质量浓度在4.56~219.1 ng/L的范围内；出水中EDCs质量浓度均在6.7 ng/L以下。去除率除DES 85.1%、DIES 84.9%、4-n-NP 75.8%和4-OP 77.1%，其余均在95%左右甚至超过95%。EDCs在泥水两相中的分配系数Kd从几千到几十万L/kg。表明污泥对EDCs具有很强的吸附能力，大部分EDCs的去除是通过污泥吸附来实现的。

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Transferbehaviorof typicalendocrine disrupting com pounds in the com bined process A2/O-MBR

Wu Chunying1，2，Bai Lu1，Gu Feng1，LuWenlong1
（1.SchoolofResourcesand EnvironmentalEngineering，Jilin InstituteofChemical Technology，Jilin 132022，China；2.State Key Laboratory of EnvironmentalSimulation and Pollution Control，Department of Environmental Science and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Taking 21 kinds of typical endocrine disrupting compounds（EDCs）in environmentwater bodies as an research objective，a long term research on the transfer and fate of the combined process，anaerobic-anoxic-oxic membrane bioreactor（A2/O-MBR）of amunicipal sewage treatment planthas been implemented.The results show that thisprocess hasstrong removing capacity for the21 kindsof EDCs.The sludge-water two phase transferbehavior of EDCs in A2/O-MBR process can be shown by sludgewater distribution co-efficient.The higher sludge-water distribution co-efficientobtained indicates that sludge has certain adsorption effect on EDCs.In water phase，most EDCsare removed by sludgeadsorption.

endocrine disrupting compounds（EDCs）；estrogen activity；A2/O-MBR；transferbehavior

X703

A

1005-829X（2016）11-0048-05

吴春英（1973—），博士（后），副教授。电话：18643219888，E-mail：18804320101@163.com。

2016-09-15（修改稿）

中国博士后科学基金项目（20080440374）