猪场粪污中典型重金属和抗生素的去除及农用风险评估

程宇航，李合莲，徐国豪，韩雪梅，刘英豪

（济南大学水利与环境学院，济南 250022）

在生猪养殖过程中，饲料中通常添加高剂量的铜（Cu）和锌（Zn）来促进生猪生长并预防疾病。砷（As）通常以有机砷的形式添加，以促进增重、提高饲料转化率和改善色素沉着。而镉（Cd）、铬（Cr）和铅（Pb）可能来自含有这些元素的饲料添加剂，或是由于饲料成分的污染。饲料中添加的重金属元素被吸收的效率很低，多数情况下生猪只能吸收饲料中10%~20%的Cu和Zn，大量重金属会通过粪便和尿液排出，从而对环境构成潜在威胁。贾武霞等对我国部分城市畜禽粪便重金属含量进行调查，发现部分猪粪样品中Cu和Zn的含量超过了《畜禽粪便安全使用准则》（NYT 1334—2007）中的限量值，超标率分别为74.6%和78.7%，远高于鸡粪和牛粪。YANG等检测了我国212个堆肥样品中的重金属含量，按照《有机肥料》（NY 525—2012）标准，As和Cd的超标率分别为13.7%和2.4%。

抗生素被广泛用于治疗感染性疾病和促进动物生长，是生猪养殖业排放的另一类重要污染物。我国年产抗生素21万t，其中46.1%用于畜禽养殖业，30%~90%的抗生素不能被动物吸收和代谢，而以原药或代谢产物的形式经尿液或粪便排出，从而带来一定的环境风险，如对陆地生物的内分泌干扰效应以及耐药菌和抗性基因的传播风险。四环素类抗生素（TCs）和磺胺类抗生素（SAs）由于高效价廉和广谱而在养殖业中普遍使用，也因此在养殖粪污中有很高的检出率。周婧等发现天津地区养猪场废水中土霉素（OTC）、金霉素（CTC）和磺胺二甲嘧啶（SMZ）最高浓度分别为36.9、33.8、45.8μg·L。赵文等在海南省18个县市区采集了102个商品有机肥样品，其中强力霉素（DOX）、磺胺嘧啶（SDZ）和磺胺甲噁唑（SMX）的平均含量分别为627.4、112.8、110.5μg·kg。

随着畜禽养殖业的不断发展，大多数规模化猪场都配备了粪污处理工艺。其中液体废水的处理有厌氧+好氧氧化、上流式厌氧污泥床反应器（UASB）+多级A/O组合工艺、MBR废水处理技术等；固体猪粪一般经过堆肥处理后作为有机肥施用于农田。但目前的处理工艺并不能完全去除粪污中的重金属和抗生素，同时还存在着处理技术落后以及管理不规范等问题。为此，本文以山东省某规模化养猪场为案例，对粪污处理工艺关键环节进行采样，研究了6种重金属（Cu、Zn、As、Cd、Cr、Pb）和6种典型抗生素（OTC、CTC、DOX、SDZ、SMZ、SMX）的去除规律，评估了氧化塘出水和堆肥产品中重金属和抗生素的生态风险，以期为生猪养殖过程中粪污处理及资源化利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集

样品采集自山东省某大型养猪场，该猪场存栏母猪6 000头。粪便经过干清粪进入好氧反应器进行密闭式好氧发酵处理，堆肥过程持续10~12 d，最高温度可达72℃。猪舍废水（尿液及冲舍水）通过管道排入暂存池，然后经过固液分离装置，粪渣进入好氧反应器进行堆肥处理，废水通过“UASB+多级A/O+氧化塘”工艺进行处理。具体工艺流程及采样点分布如图1所示，采样时间为2019年11月和2020年9月。每次采样连续进行3 d，每个采样点每日采集废水500 mL，混合均匀后装入采样瓶，送至实验室在4℃以下避光保存，尽快分析测定。同时采集好氧反应器进、出料，分别混匀后采用四分法取样约500 g，装入样品袋，置于便携式冰箱中冷冻，并尽快运回实验室。固体样品用真空冷冻干燥机干燥，研磨后过0.25 mm筛，储于-20℃的冰箱中用于进一步试验。

图1 粪污处理工艺流程及采样点设置Figure 1 Piggery wastesprocess and sampling point

1.2 重金属的消解与分析

固体样品：称取0.5 g冻干样品于消解管中，加入8 mL硝酸和2 mL高氯酸，电热消解仪180℃消解至0.5 mL左右，冷却至室温，用超纯水定容到50 mL，过0.45μm的水相滤膜，稀释后采用原子吸收法测定Cu和Zn的含量，其余重金属含量采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定。

废水样品：取10 mL废水于消解管中，加入2 mL硝酸，石墨消解仪105℃消解至0.5 mL左右，其余步骤与固体样品相同。

1.3 抗生素的提取与分析

固体样品：取0.5 g冻干样品于离心管中，加入10 mL乙腈和10 mL柠檬酸缓冲液（pH=4），涡旋1 min，超声提取15 min，离心后上清液转入鸡心瓶中。提取过程重复两次，合并上清液，45℃下旋蒸以除去大部分乙腈。随后加入0.2 g EDTA-2Na净化样品，超声溶解后用超纯水稀释到100 mL。将SAX小柱（Agi⁃lent公司）和HLB小柱（Waters公司）串联，依次利用10 mL甲醇和10 mL超纯水淋洗活化，然后加入样品，流速控制在5 mL·min以内。富集完成后用10 mL超纯水淋洗串联小柱，抽真空30 min以去除残留水分，接着用8 mL甲醇洗脱HLB小柱上的抗生素至10 mL离心管中，在40℃水浴下利用氮吹仪将样品吹至近干，用超纯水∶甲醇（8∶2，∶）混合液定容至10 mL，涡旋30 s，过0.22μm滤膜，采用超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS-MS）方法测定。

废水样品：取100 mL废水，过0.45µm玻璃纤维滤膜，去除悬浮物，调整pH为4，样品净化与富集过程与固体样品相同。

色谱条件：柱温30℃，样品室温度15℃，进样体积为5µL。流动相A为0.1%甲酸水，B为乙腈，采用梯度洗脱系统分离，具体流程见文献[16]。流速为0.5 mL·min。质谱条件：采用电喷雾正离子源（ESI+），源温度和脱溶剂气温度分别为150℃和400℃，检测方式为多反应监测扫描模式（MRM）。

质量控制：采用外标法进行定量，TCs和SAs的标准曲线浓度范围分别为0~500μg·L和0~50μg·L，决定系数均大于0.997。回收率以加标样品和未加标样品的浓度差相对于加标量的百分比计算，经检测加标样品中目标抗生素的回收率为73.5%~113.9%。

1.4 生态风险评估方法

1.4.1 重金属风险评估

该猪场氧化塘出水中重金属浓度均符合《农田灌溉水质标准》（GB 5084—2005），生态风险较低，故本文侧重于猪场堆肥产品中重金属的风险评估。

单因子污染指数：

内梅罗综合污染指数：

式中：C为堆肥产品中重金属的实测浓度，mg·kg；S为重金属的评价标准值，Cu、Zn采用《农用污泥污染物控制标准》（GB 4284—2018）中的A级标准，As、Cd、Cr、Pb采用《有机肥料》（NY 525—2012）中的限量值，mg·kg；P为重金属的单因子污染指数；P为内梅罗综合污染指数；P和P分别为重金属的单因子污染指数最大值和平均值。内梅罗污染指数评价标准如表1所示。

表1 内梅罗污染指数法评价标准Table 1 Evaluation standard of Nemerow pollution index method

1.4.2 抗生素风险评估

采用生态风险商值（RQ）评价二级氧化塘出水中抗生素的生态风险。RQ为出水中抗生素实测浓度（μg·L）与预测无效应浓度（PNEC，μg·L）的比值。PNEC指现有研究下抗生素对环境生态系统无影响的最大浓度，由半数效应浓度（EC，μg·L）除以评价因子计算得到。毒理数据主要是通过文献[18-22]获得，如表2所示。生态风险评估采用HERNANDO等提出的RQ分类方法：0.01≤RQ<0.1，为低风险；0.1≤RQ<1，为中风险；RQ≥1，为高风险。

表2 抗生素对应最敏感物种的毒理数据Table 2 Aquatic toxicity data of antibiotics to the most sensitive aquatic species

1.5 去除率和降解率计算

计算公式为：

式中：为废水中重金属或抗生素的去除率或堆肥过程中抗生素降解率，%；C为第处理单元中重金属或抗生素的浓度或堆肥前进料中抗生素浓度，μg·L；C为第单元的下一级采样单元中重金属或抗生素的浓度或堆肥后出料中抗生素的浓度，μg·L。

2 结果与讨论

2.1 不同废水处理单元中重金属的分布及去除

2.1.1 不同废水处理单元中重金属的残留情况

猪场废水处理各单元中重金属浓度如图2所示，各处理单元中6种重金属均有检出。2019年样品中重金属总浓度大小依次为暂存池>初沉池>二沉池>终沉池>二级氧化塘≈一级氧化塘，分别为4 818.7、3 832.8、2 267.4、927.5、628.1、619.5μg·L。Cu、Zn、As、Cd、Cr、Pb在暂存池中的浓度分别为702.1、3 744.9、38.7、9.2、117.5、201.3μg·L，在二级氧化塘出水中分别降低为39.8、389.6、9.7、3.2、10.7、174.9μg·L。2020年样品中重金属总浓度整体呈下降的趋势，浓度大小依次为暂存池>初沉池>二沉池>终沉池>一级氧化塘>二级氧化塘，浓度分别为36 240.6、16 639.5、1 616.5、1 535.9、437.6、274.4μg·L。Cu、Zn、As、Cd、Cr和Pb在暂存池中的浓度分别为15 042.5、20 890.3、29.6、14.9、170.9μg·L和92.5μg·L，在二级氧化塘出水中降低为43.7、220.8、2.1、3.6、1.0μg·L和3.2 μg·L。两次采集的废水中重金属总浓度有较大差异，这可能与猪场不同时期猪只的年龄结构差异导致的微量元素用量不同以及用水量的季节性波动有关。氧化塘出水多用于农田灌溉，其中As、Cd、Cr和Pb的浓度符合《农田灌溉水质标准》（GB 5084—2005），Cu和Zn的浓度符合《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）。

图2 不同废水处理单元中重金属的浓度Figure 2 The concentration of heavy metals in different wastewater treatment units

2.1.2 不同处理单元对废水中重金属的去除效率

各处理单元对重金属的去除率如表3所示。废水经过暂存池、固液分离和初沉池单元，重金属的去除效果均较好，与郭瑞华等报道的沉淀池对重金属的去除效果一致，这可能是因为废水在初沉池有较长的水力停留时间，重金属元素会吸附在污泥表面或絮凝沉淀到池底。废水经过UASB反应器和二沉池阶段，Cu、Zn和Cr的总量显著减少，这可能是因为废水中重金属易与悬浮物（SS）表面的—OH、—NH和C=O等官能团发生络合反应从而吸附在SS上，并随SS沉降到池底。经过一级氧化塘的作用后，Cu、Zn、Cr在2020年样品中的去除率分别为66.5%、72.7%、60.6%，这与雷慧宁报道的氧化塘中69.8%~85.7%去除率的结果相似，其原因可能是重金属被氧化塘中的植物根系和微生物所吸收，或是被底泥吸附沉淀到池底；同时因为氧化塘是开放系统，降水或其他水流进入也会稀释废水中重金属的浓度。

表3 不同处理单元对废水中重金属的去除率（%）Table 3 Removal rate of heavy metals in wastewater by different treatment units（%）

综上，经多级沉淀和氧化塘处理后，出水中6种重金属的含量显著降低，去除效果较好。不同处理单元因其处理工艺的不同，对重金属的去除效果也有所差异。因为重金属不能被降解，只能被吸附在底泥、沉积物中或转化进入生物体内，这可能是厌氧发酵和生物处理单元对重金属去除效率较低的原因。同一废水处理单元在不同时期对重金属的去除效率有差异，说明重金属的去除效果不仅与工艺有关，还与水力停留时间、污泥停留时间、絮凝剂投加量和曝气量等运行条件的改变，以及温度和光照等环境条件的改变有关。

2.2 不同废水处理单元中抗生素的分布及去除

2.2.1 不同废水处理单元中抗生素的残留情况

废水处理各单元中抗生素浓度如图3所示。2019年各处理单元中6种抗生素检出率均为100%，说明目标抗生素在该养殖场使用比较广泛。TCs浓度大小依次均为暂存池>初沉池>二沉池>终沉池>一级氧化塘>二级氧化塘，浓度分别为271.6、140.9、98.7、26.3、14.3、13.1μg·L。TCs浓度在暂存池中达到最大值，DOX、OTC、CTC浓度分别为234.1、25.3、12.3μg·L；在二级氧化塘出水中降到最低，DOX、OTC、CTC浓度分别为8.2、3.6、1.3μg·L。SAs浓度显著低于TCs，其浓度大小依次为暂存池>二沉池>初沉池>一级氧化塘>二级氧化塘>终沉池，浓度分别为8.04、4.92、4.11、0.82、0.78、0.71μg·L。SAs浓度在暂存池中达到最大值，SDZ、SMZ、SMX浓度分别为4.95、0.04、3.04μg·L；在终沉池中降到最低，SDZ、SMZ、SMX浓度分别为0.004、0.02、0.70μg·L。2020年样品中TCs检出率为100%，其浓度大小依次为二沉池>暂存池>初沉池>一级氧化塘>二级氧化塘>终沉池，TCs在二沉池达到最大浓度，OTC、CTC、DOX浓度分别为37.4、0.6、19.2μg·L；在终沉池中降到最低浓度，OTC、CTC、DOX浓度分别为7.9、0.3、0.9μg·L。SAs在2020年废水处理各单元均未检出，且样品中抗生素的总浓度也显著小于2019年，这可能与养猪场用药的季节性波动有关，也可能是9月份的温度和光照促进了抗生素的降解。

图3 不同废水处理单元中抗生素的浓度Figure 3 The concentration of antibiotics in different wastewater treatment units

2.2.2 不同处理单元对废水中抗生素的去除效率

各处理单元中抗生素的去除率如表4所示。废水经过暂存池、固液分离和初沉池单元，TCs和SAs的去除率可达48.1%和48.9%，高于周婧等的研究结果，这可能是因为经过该处理单元时，抗生素会被吸附在污泥上，并经固液分离沉淀到池底，同时还会通过光降解、水解等途径提高抗生素的去除率。

表4 不同处理单元对废水中抗生素的去除率（%）Table 4 Removal rate of antibiotics in wastewater by different treatment units（%）

废水经过UASB反应器和曝气池阶段，SAs均呈现低去除和负去除，与杨钊等报道的厌氧发酵池对SAs呈现负去除的研究结果一致，原因可能是在厌氧条件下，SAs的代谢产物在生物处理过程中转化为母体化合物，从而使得抗生素浓度升高。DOX的分子结构中含有二甲氨基团和氮原子，在碱性条件下易与带负电荷的污泥吸附在一起，导致DOX在UASB处理工艺中呈现正去除。而在曝气池中，污泥上吸附的抗生素可能会在曝气作用下脱落融入水体，使得抗生素的浓度升高。废水由二沉池流出，经过多级A/O反应池，最后流入终沉池这一阶段中，TCs和SAs的去除效果较好，这与陈乾等的研究结果一致，可能是因为多级A/O反应池拥有多个沉淀步骤和较长的发酵时间，反应池中污泥泥龄长、浓度高，通过吸附作用提高了抗生素的去除率。此外，光照和温度也是影响抗生素降解的重要因素，多级A/O反应池在厌氧阶段罐体温度升高，而好氧阶段多直接暴露在环境中，长时间接受光照，提高了抗生素的综合去除效率。

废水的三级处理主要是在氧化塘中进行。经一级氧化塘作用后，2019年样品中OTC、CTC和DOX去除率分别为39.7%、71.1%和37.3%，这可能是因为废水在氧化塘中的水力停留时间较长，有利于抗生素的光解和水解，同时塘中的植物根系和污泥也能充分吸收/吸附抗生素。而2020年样品中TCs去除率均为负值，两次采样的去除规律不一致，可能与采样的瞬时性、废水处理的滞后性以及猪场处理系统在不同时期的运行管理差异有关。SAs属于高亲水性化合物，不易吸附在污泥上而更倾向于进入水相，导致其在一级氧化塘中浓度升高。

综上所述，该养猪场废水处理工艺中“固液分离+UASB+多级A/O+氧化塘”组合工段能有效去除废水中的抗生素，不同处理单元对抗生素的去除效果有所差异，可能是抗生素在不同处理工艺中水解、光解、生物降解、吸附沉淀等去除途径不同以及抗生素的理化性质差异导致的。氧化塘出水中仍有部分抗生素残留，可能对生态环境造成一定的风险。

2.3 好氧反应器堆肥过程中重金属和抗生素总量特征

图4为好氧反应器堆肥前后重金属含量的变化情况，2019年堆肥产品中Cu、Zn、As、Cd、Cr、Pb的含量分别为242.3、1 103.5、19.7、5.91、32.6、177.6 mg·kg，其中As、Cd、Pb的含量超过了《有机肥料》（NY 525—2012）的限量标准。2020年堆肥产品中Zn的浓度为1 691.6 mg·kg，超过《农用污泥污染物控制标准》（GB 4284—2018）A级标准，且显著高于2019年，这与废水中监测的结果一致，可能是因为两次采样时猪只的年龄结构差异导致饲料中微量元素添加量不同，从而使猪粪和废水中微量元素的浓度也不同。饲料中添加的微量元素过高会导致堆肥产品中重金属含量超标，为了生猪养殖业可持续发展，重金属的控制需要从饲料端进行源头削减。

图4 好氧反应器堆肥前后重金属含量变化Figure 4 Changes of heavy metals content before and after composting in aerobic reactor

图5为好氧反应器堆肥前后抗生素含量的变化。2019年进料中DOX的含量显著高于其他抗生素，这与废水中监测到的结果一致，说明DOX是该猪场用量最大的抗生素。5种抗生素在堆肥过程中的降解率为49.8%~72.8%。2020年进料中抗生素含量显著低于2019年，与废水中监测到的结果一致，这主要与养殖场用药的季节性波动有关。2020年堆肥过程中TCs的降解率为75.7%~90.9%，而SAs未检出。

图5 好氧反应器堆肥前后抗生素含量变化Figure 5 Changes of antibiotics content before and after composting in aerobic reactor

2.4 生态风险评估

2.4.1 重金属风险评估

单因子污染指数评估结果如表5所示。2019年堆肥产品中6种重金属的生态风险水平为Pb>Cd>As>Zn>Cu>Cr，其中Pb的潜在风险最高，达到中度污染水平；P为2.70，处于中污染水平。2020年样品中Zn的单因子污染水平较高，其余5种重金属的P值均<1，属于清洁水平；P为1.05，属于轻污染水平。堆肥产品的施用可能造成重金属污染，需从饲料源头严格控制Zn和Pb的含量。

表5 单因子污染指数重金属污染评价结果Table 5 Single factor pollution index heavy metals pollution assessment results

2.4.2 抗生素风险评估

二级氧化塘出水中6种抗生素的RQ和生态风险等级评估结果如表6所示。2019年出水中OTC、DOX、SMX是高风险污染物，CTC是主要的中风险污染物，SDZ和SMZ是低风险污染物。2020年出水中OTC、DOX是主要的高风险污染物，这与2019年的监测结果相同，说明OTC和DOX是污染最严重的抗生素，排放会造成一定的生态风险，需要采取减量等消减措施。

表6 抗生素的风险商值（RQS）和生态风险等级Table 6 RQs and ecological risk level of antibiotics

3 结论

（1）猪场废水处理各单元中6种重金属和6种抗生素均有检出，重金属主要为Cu和Zn，抗生素主要为土霉素、金霉素和强力霉素。废水中重金属的去除率为74.8%~99.7%（Pb除外），抗生素的去除率为39.4%~99.8%。

（2）猪粪好氧堆肥后抗生素的降解率为49.8%~90.9%。堆肥产品中Pb、Zn是污染水平最高的重金属，其含量超过了我国有机肥或农用污泥中污染物控制标准，直接施用农田可能带来潜在的生态风险。

（3）猪场氧化塘出水中土霉素、强力霉素是主要的高风险污染物，直接排放会造成一定生态风险，需要采取减量等消减措施。