农村污水中药物及个人护理产品的污染水平及去除研究进展

2020-12-31 09:02刘邓平李彦澄贵州大学资源与环境工程学院贵州贵阳550025贵州喀斯特环境生态系统教育部野外科学观测研究站贵州贵阳550025贵州大学国土资源部喀斯特环境与地质灾害重点实验室贵州贵阳550025
生态与农村环境学报 2020年12期
关键词:去除率废水人工

刘邓平,李彦澄,2①,李 江,2②,吴 攀,2,3,吕 杨,钟 雄 (.贵州大学资源与环境工程学院,贵州 贵阳 550025;2.贵州喀斯特环境生态系统教育部野外科学观测研究站,贵州 贵阳 550025;3.贵州大学国土资源部喀斯特环境与地质灾害重点实验室,贵州 贵阳 550025)

药物及个人护理产品(pharmaceuticals and personal care products,PPCPs)广泛应用于医药、畜牧业和人们的日常生活等诸多领域,通常包括抗生素、激素、止痛剂、抗癫痫药物、β-阻滞剂和造影剂等药物,以及抗菌剂、合成麝香、驱虫剂、防腐剂和防晒霜等个人护理产品[1],这些物质已逐渐成为现代生活不可或缺的一部分。通常,一种产品中可能含有几种PPCPs物质,如抗菌洗手液中除表面活性剂以外,还含有合成麝香和三氯生[2]。大多数PPCPs为中等极性,不易挥发,不易受热,并且在水中极易溶解[3]。

据报道,我国是世界上最大的活性药物成分生产国,同时PPCPs的消费量约占全球消费量的6.50%[4]。目前已在地下水[5]、饮用水[6]、地表水[7]、土壤[8]和灰尘[9]等各种环境介质以及人体血液和母乳[4]中检出PPCPs,尽管检出浓度在ng·L-1~μg·L-1级别,但由于其持续释放到环境中,仍能产生许多显著的亚致死效应[10]。已有研究证明,环境中残留PPCPs的生态毒性是多样的,比如卡马西平不仅会影响虹鳟的脑和肝功能[11],还会破坏沉积物中蠓幼虫的蛹化[12];激素则可能导致鱼类种群中雌雄同体鱼的增加[13];而残留的抗生素不仅会改变自然环境中微生物的群落结构,胁迫细菌产生抗性基因(ARGs),还会通过食物链途径进入人体,诱导体内病原体产生抗性,从而降低抗生素治疗疾病的有效性[14];此外,残留PPCPs还会损害人体神经系统,导致免疫系统紊乱,产生生殖障碍等[15]。因此,环境中残留PPCPs对生态及人体的危害应该引起更广泛的关注,亟待明确PPCPs可能引起的潜在生物效应。

中国农村人口数量多,随着经济水平和生活水平的提高,农村污水的产生量和排放量增大,农村污水主要来源于农村生活污水和分散型畜禽养殖废水,如厨房废水、厕所废水、洗涤废水、畜禽的尿液和圈舍冲洗废水等[16]。大部分农村污水直接排入附近的农田、河流、湖泊等[17],少部分农村地区建设有农村污水治理设施,但主要针对污水中的COD、NH4+-N和TP等常规污染物[18],因此污水中的PPCPs仍会随出水进入环境,并在生物富集和生物放大的作用下对生态环境和人体健康产生影响。该研究简要介绍了常见PPCPs的种类、性质和危害,总结分析了农村污水中PPCPs的来源和污染水平,比较了不同地区农村污水中PPCPs的含量差异,探讨了农村污水治理设施和方法(人工湿地、氧化塘、活性污泥法)对PPCPs的去除效果及其影响因素,以期为农村污水中PPCPs的污染防治提供参考。

1 农村污水中PPCPs主要检出种类及其来源分析

农村污水是农村居民在日常生产生活中产生的复合废水,其中生活污水占据主导地位,包括厨房废水、厕所废水、洗涤废水等,而生产废水包括畜禽的尿液、圈舍冲洗废水和家庭类小规模加工厂所产生的废水等[16]。通常,农村污水中只含有氮、磷、COD等常规污染物,可生化性高,有毒有害物质少[18],但随着人们对生活质量和身体健康的重视程度增加,农村地区对抗生素、止痛药、消炎药、洗涤剂和洗发水等PPCPs的使用量和需求量也逐渐增大,并且在各个生产生活环节中都大量使用PPCPs,从而导致农村污水中PPCPs的来源更加广泛,污水中PPCPs的检出浓度和检出率升高。常见PPCPs的种类和性质见表1。

1.1 畜禽养殖

畜禽养殖所产生的代谢物是农村污水中PPCPs的重要来源。为治疗和预防畜禽的感染疾病或促进畜禽生长,通常会在饲料中添加抗生素和杀菌剂等药物,如土霉素、氟苯尼考和金霉素等[19];同时大多数农村养殖户缺乏专业的养殖知识,对药物的不合理使用导致药物进入环境的可能性增加。已有研究证明,这些药物进入生物体后并不会被完全代谢,并且有可能在生物体内富集[20],未被吸收和代谢的药物会随畜禽的粪便和尿液排出。如ZHAO等[21]在我国规模化养殖的猪粪和牛粪中检出土霉素的含量分别为59.00和59.59 mg·kg-1,在鸡粪中检出诺氟沙星和环丙沙星的含量分别为225.45和45.59 mg·kg-1;彭秋等[22]研究了猪粪和鸡粪中抗生素的残留情况,发现猪粪和鸡粪中四环素类抗生素的总含量分别为167.34 和37.40 mg·kg-1;此外,杨钊等[23]在贵阳某规模化养殖废水检出磺胺间甲氧嘧啶的质量浓度为120.84 μg·L-1。因此,农村猪、牛、鸡等畜禽养殖所产生的尿液、粪便及圈舍冲洗水是PPCPs进入农村污水的重要途径。

1.2 人类用药

大部分农村地区医疗条件有限,老龄化人口集中,居民缺乏对药物的科学认识,导致止痛药、抗炎药以及抗生素等药物滥用,常见的有阿莫西林、头孢氨苄和布洛芬等[24]。据报道,我国约50%的门诊患者将抗生素作为治疗药物,其中约74.70%的患者使用过1种抗生素,约25.30%的患者使用过2种或2种以上抗生素[25]。由于药物代谢不完全,其经人体服用后又会通过尿液、粪便排出,直接或间接排入农村污水中。研究表明,人体服用双氯芬酸和苯扎贝特后尿液中双氯芬酸和苯扎贝特的质量浓度分别可达202.00和26.50 μg·L-1[26],LIENERT等[27]在人体尿液中检测到布洛芬的质量浓度最高为411 μg·L-1,因此人类服用的药物直接或间接排入污水是PPCPs进入农村污水的重要来源。

1.3 日常洗护用品

与药物相比,个人护理产品进入农村污水的量更大,途径更加广泛,并且浓度也更高[28]。随着经济的发展,农村居民对生活质量的要求逐渐提高,对洗发水、牙膏、洗涤剂、洗面奶、洁厕灵、化妆品等日常洗护用品的使用量增大。研究表明,牙膏、香皂、洗发露中三氯生的检出量分别为2.86、0.70和0.79 g·kg-1[29],使用个人护理产品后产生的洗涤废水中含有大量的PPCPs物质;叶洪等[30]对16个沐浴露样本中佳乐麝香的含量进行分析,发现其平均含量为328.50 mg·kg-1;有学者对家庭废水中PPCPs的种类和含量研究,发现所有样本中1,2-苯并异噻唑-3-酮、避蚊胺的质量浓度均大于1 μg·L-1[31]。因此,日常洗护用品也是农村污水中PPCPs的主要来源。

2 不同地区农村污水中PPCPs的污染水平比较分析

与抗生素相比,国外农村污水中非甾体类抗炎药的浓度远高于抗生素,在农村污水治理设施的进出水中质量浓度可达μg·L-1级别,这可能是由于不同地区对药物的使用习惯不同而导致的。如捷克共和国农村污水治理设施进水中布洛芬的检出率为100%,萘普生的检出率仅为39%,这是因为在研究期间捷克共和国最常用的非甾体类抗炎药是布洛芬,而含有萘普生的药物在该地区并不受欢迎[36]。CHEN等[37]研究了中欧和西欧农村地区的农村污水,进水中对乙酰氨基酚和布洛芬是主要的非甾体类抗炎药,检出率为100%,平均质量浓度高达10 000 ng·L-1,其次是双氯芬酸,平均质量浓度约1 000 ng·L-1。而出水中布洛芬的平均质量浓度为4 021 ng·L-1,是出水中最主要的高风险物质,表明农村污水的排放会对农村环境造成危害。

有研究在湖南某农村污水治理设施的进水中检出雄烯二酮、炔诺酮和孕酮,质量浓度分别为(104±2.70)、(105±5.14)和(30.50±1.25) ng·L-1[38]。捷克共和国农村污水治理设施进水中美托洛尔检出浓度较高,为211~5 350 ng·L-1,远高于美国某垃圾填埋场渗滤液中的浓度[39]。

表2 不同地区农村污水治理设施进出水中PPCPs的污染水平

与国外相比,我国湖南地区农村污水中三氯生的浓度远低于捷克共和国和美国的最高检出浓度。相对于咖啡因,卡马西平这种精神类药物在农村污水中的浓度较低。此外,在我国农村污水中还检测出避蚊胺、多菌灵和对羟基苯甲酸甲酯,质量浓度分别为(515±19.70)、(114±4.76)、(63.40±2.85) ng·L-1[38]。

3 农村污水中PPCPs的去除及其影响因素

农村地区人口较分散,地形地势复杂,经济发展水平较低,因此农村污水的处理通常采用分散式污水处理系统,建立多种微动力污水治理设施,如一体化A2/O处理设施、微动力生物膜法、小型人工湿地等用于生活污水和畜禽养殖废水等复合废水的混合处理[48]。成本低、去除效果好、简单且易于维护的生态处理工艺在农村的应用更加广泛,如人工湿地和氧化塘,也有少部分活性污泥法和高级氧化法等处理工艺应用于农村污水的治理。

3.1 农村污水治理设施对PPCPs的去除效果

PPCPs的去除途径包括生物降解、吸附、水解和光解等,而生物降解和吸附是PPCPs去除的主要途径[49]。DONG等[34]调查了不同类型工艺的农村污水治理设施对抗生素的去除,发现活性污泥法和人工湿地对抗生素的平均去除率分别为61.50%~87.00%和51.80%~85.50%,其效果优于微动力生物膜法(20.40%~53.80%)和稳定塘(31.60%~49.60%)。国外部分地区对农村污水的处理更偏向于以氧化塘为基础的污水处理系统,氧化塘是用于接收、容纳和处理污水的类似池塘的水体或盆地,因操作运行简单、维护费用低廉,广泛应用于分散型农村地区,在物理、化学和生物反应的协同作用下实现污染物的去除[50]。LI等[42]研究了美国农村地区“两级氧化塘+沉淀池”在不同季节下对10种PPCPs的去除效果,其中夏季8种PPCPs的去除率为96.20%~100%,三氯卡班去除率为88%,而卡马西平为负去除;冬季对7种PPCPs的去除率为68.18%~99.16%,卡马西平、吉非齐尔和甲氧苄胺嘧啶均为负去除。CHEN等[37]研究了水平潜流人工湿地对农村污水中PPCPs的去除效果,其对非甾体类抗炎药、利尿剂和β-阻滞剂的去除率分别为47%~100%、18%~96%、58%~99%,且温暖季节的去除率总体上高于寒冷季节。由此表明,农村污水治理设施对PPCPs的去除可能受季节因素的影响。韩国农村污水一体化处理装置(工艺为“调节池+生物反应器+沉淀池”)对目标PPCPs的去除率为12%~88%[40],去除效果略低于氧化塘和人工湿地。复合人工湿地对激素和生物灭杀剂的去除率分别为(97.40±0.09)%、(92.40±0.54)%[38],且相似的复合人工湿地对抗生素的去除率为(10.30±1.81)%~(100±0.00)%[43]。可见,大部分PPCPs的去除率都较高,有的甚至可以完全去除。CHEN等[37]发现水平潜流人工湿地对双氯芬酸的去除率95%,且在低氧化还原条件下厌氧生物降解是人工湿地去除双氯芬酸的主要途径;而ZHANG等[51]认为双氯芬酸在人工湿地的去除机制包括光降解、生物降解和植物吸收,其中光降解是主要的去除途径。由此表明,PPCPs的去除途径是多样的,且去除效果受多种因素的影响。

3.2 不同农村污水治理设施去除PPCPs的影响因素

3.2.1人工湿地

人工湿地处理PPCPs受季节、植物类型、湿地类型、水力停留时间(HRT)等多种因素的影响。季节可以通过温度影响植物生物量和根际微生物的活性从而影响PPCPs的去除[37]。大多数研究证明,PPCPs在温暖季节的去除效果高于寒冷季节,如HIJOSA-VALSERO等[52]研究表明,夏季PPCPs的生物降解效率普遍高于冬季,这是由于夏季的生物降解动力学较高;同时发现种植芦苇的湿地对萘普生的去除效率高于种植其他植物的湿地,这可能是由于芦苇根茎体积较大,生物膜发育较好,从而具有较好的生物降解过程。CHEN等[37]提出当冬季温度较低生物降解受到抑制时,具有较高生物量的植物可以增强根际对PPCPs的吸附和植物对PPCPs的吸收。BATT等[53]指出HRT越长有机微污染物的去除效率越高;DONG等[34]证实了此观点,发现人工湿地较长的HRT可以补充湿地的生物活性,提高抗生素的去除率。ILYAS等[54]总结了不同类型人工湿地对PPCPs的去除效果,得出复合流人工湿地对PPCPs的去除效果最好,其次是垂直流、水平潜流和自由表面流人工湿地。

3.2.2氧化塘

3.2.3活性污泥法

生物降解和污泥吸附是活性污泥法去除PPCPs的2个重要途径[56],影响活性污泥法处理效能的因素包括混合液悬浮固体(MLSS)、污泥停留时间(SRT)、温度、pH值等。较长的SRT对PPCPs有着良好和稳定的去除效率并且SRT长的生物系统与处理效率有很强的相关性,因为较长的SRT可以强化生长缓慢的细菌,建立具有广泛生理能力的生物群落[57]。YIN等[58]在实验室采用批次实验探究不同MLSS浓度下活性污泥法对磺胺甲嗪好氧降解的影响,发现较高的MLSS浓度可以促进磺胺甲嗪的降解。不仅温度会影响微生物的增长,酶活性也会影响污泥对PPCPs的吸附,物理吸附是一个放热过程,温度的升高会降低污泥颗粒对PPCPs的吸收[58]。

4 结论与展望

农村污水中PPCPs的来源广泛,种类复杂,其主要来源包括人类用药、畜禽养殖和日常洗护用品。已有大量学者在国内外农村污水中检出咖啡因、布洛芬、激素、抗生素和三氯生等PPCPs,量级从ng·L-1~μg·L-1不等。现有农村污水的治理更偏向于生态处理工艺,如人工湿地和氧化塘,这些污水治理设施对大部分PPCPs都有较好的去除效果,且去除过程受季节、温度、HRT、SRT等多种因素影响。值得注意的是,仍有部分PPCPs未能得到有效去除,如卡马西平、甲氧苄胺嘧啶,因此农村污水未经处理或不完全处理而直接排放可能会对农村环境产生危害。

目前,研究者对农村污水中PPCPs的研究已取得一定进展,但对农村污水中PPCPs的分布、去除和迁移转化的研究较少,为了进一步明确农村污水中PPCPs污染现状与防治,未来的研究可从以下几个方面进行:(1)加大对不同类型农村地区农村污水中PPCPs的分布和去除研究,进一步了解不同经济发展程度、生活习性、地理特征等农村环境中PPCPs的污染现状;(2)进一步调查农村环境介质中PPCPs的迁移转化,评估不同暴露途径下PPCPs对农村生态环境和人体健康的影响;(3)进一步优化和改进现有的农村污水治理设施,探究不同影响因素对PPCPs去除的影响机制,实现对常规污染物和PPCPs的同步高效去除,减少农村污水中PPCPs的总排放量,降低农村污水进入环境后产生的环境风险;(4)加强农村地区集约化养殖废水中抗生素的治理,减少抗生素进入农村环境的途径,降低大量兽用抗生素残留在各种农村环境介质中所产生的潜在生态风险。

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