磺胺甲恶唑对污水生物脱氮除磷的影响及机制研究_辛浩洋.pdf

工业用水与废水INDUSTRIAL WATER WASTEWATERVol53No6Dec.，2022辛浩洋（安徽建筑大学 环境与能源工程学院，合肥230601）基金项目：安徽省自然科学研究面上项目（1808085MB34）；安徽省高校省级自然科学研究项目重大项目（KJ2019ZD52）；安徽建筑大学引进人才及博士启动基金项目（2018QD20）抗生素类药物是微生物或高等动植物在生活过程中产生的具有抗病原体或其他活性的一类次级代谢产物。目前常用的抗生素除了包括内酰胺类、氨基糖苷类、氯霉素类、大环内脂类和四环素类等从微生物培养液中提取的抗生素，还包括磺胺类和喹诺酮类等用化学方法合成或半合成的药物1。磺胺类抗生素为人工合成的抗菌药，具有抗菌谱较广、性质稳定、使用简便等优点。磺胺甲恶唑作为磺胺类药物的典型代表，对葡萄球菌、大肠杆菌等细菌具有很强的抑制作用，被广泛应用于人类及动物治疗感染疾病、畜禽畜牧业及水产养殖业的生长促进剂。随着磺胺甲恶唑使用量的增加，大量残留的抗生素会随着市政污水进入城市污水处理厂，而目前城市污水处理工艺大多采用以生化处理为主的工艺2，在去除COD、氮、磷等传统有机污染物的同时，磺胺甲恶唑的残留对生物脱氮除磷必然构成潜在威胁。磺胺甲恶唑是使用频率最高的磺胺类抗生素之一，在多个国家的污水厂中均检测出高含量的磺胺甲恶唑残留3。新加坡的某城市污水处理厂的进水摘要：磺胺甲恶唑作为磺胺类药物的典型代表在水环境中检出频率较高，其在污水处理厂中的残留会对污水生物脱氮除磷过程产生较大影响。近年来国内外学者针对磺胺甲恶唑在生物脱氮除磷过程中的影响及机制已展开了相关研究。阐述了磺胺甲恶唑在污水处理厂中的残留现状，分析了其对生物脱氮除磷过程的影响及相关机制，以期对未来深入研究磺胺甲恶唑对污水生物处理工艺产生的影响提供借鉴。关键词：磺胺甲恶唑；污水处理厂；生物脱氮；生物除磷；机理研究中图分类号：X703.5；R978.1文献标志码：A文章编号：10092455（2022）06000605Effect and mechanism of sulfamethoxazole on biological nitrogen andphosphorus removal of wastewaterXIN Haoyang（School of Environment and Energy Engineering,Anhui Jianzhu University,Hefei 230601,China）Abstract：As a typical representative of sulfonamides,sulfamethoxazole can be detected with high frequen-cy in water environment,and its residue in sewage treatment plant will have a great impact on the biological ni-trogen and phsphorus removal process of sewage.In recent years,scholars at home and abroad have carried outrelevant research on the influence and mechanism of sulfanethoxazole in the process of biological nitrogen andphosphorus removal.The residue status of sulfamethoxazole in sewage treatment plant and its impact on biologicalnitrogen and phosphorus removal process were elaborated with related mechanism analyzed at the same time,which would provide reference for the further study of the impact of sulfamethoxazole on sewage biological treat-ment process in the future.Keywords：sulfamethoxazole;sewage treatment plant;biological denitrification;biological phosphorus re-moval;mechanism study磺胺甲恶唑对污水生物脱氮除磷的影响及机制研究6中检出磺胺甲恶唑的质量浓度为900 1 400 ngL，而经膜生物反应器处理后出水中磺胺甲恶唑的质量浓度仍保持在300 500 ngL4。釜山国立大学的调查报告显示，在韩国的医疗废水及养殖废水中，磺胺甲恶唑的最高检出质量浓度达166 gL，而经处理后排放的废水中，仍然可以检测出高达137gL的抗生素残留5。由此可见，污水厂进水水质的不同，导致磺胺甲恶唑在进出水中的残留含量也不同，由于养殖及医疗行业需集中使用大量抗生素，因此，其检出浓度相对市政污水较高，而传统的生物处理工艺对于去除磺胺甲恶唑并未起到良好的效果。我国作为抗生素使用大国，有学者陆续在上海、香港、广州、重庆、浙江、安徽等地的污水处理厂中检测出磺胺甲恶唑残留69，尽管其在城市污水处理厂进出水中的检出水平在ngL及gL级别，但磺胺甲恶唑结构稳定、药效持久，生物处理很难将其完全降解，并且在我国的城市污水污染物排放标准中，尚未加入明确的抗生素排放指标，这也在一定程度上对污水处理厂的生物处理工艺造成了威胁。目前，已有学者就磺胺甲恶唑对脱氮除磷性能的影响及机制展开相关研究，本文综述了磺胺甲恶唑在污水处理厂的残留现状以及对生物脱氮除磷产生的影响及机制，旨在为完善磺胺甲恶唑在生物脱氮除磷中的研究提供参考。1磺胺甲恶唑对生物脱氮除磷的影响随着水体富营养化程度的不断加剧，污水处理厂开始将氮、磷作为主要污染物去除。生物脱氮除磷涉及的过程比较复杂，包括氨化、硝化、反硝化、厌氧释磷、好氧吸磷等过程10。每一个过程都需要特定的反应环境1112，磺胺甲恶唑的加入会改变这一环境，且生物脱氮除磷过程中的微生物以革兰氏阴性菌为主13，而磺胺甲恶唑对革兰氏阴性需氧菌和厌氧菌均具有抗菌作用14，因此，磺胺甲恶唑的存在必然对污水生物脱氮除磷效果产生影响。1.1磺胺甲恶唑对生物脱氮的影响污水生物处理过程中，硝化和反硝化是生物脱氮的2个重要步骤，硝化过程是由硝化细菌在有氧环境下将氨氮氧化成硝态氮，反硝化过程是由反硝化细菌将亚硝态氮或硝态氮还原成N2、N2O或NO。有研究表明，抗生素的输入会对生物脱氮过程产生抑制作用15，磺胺甲恶唑作为含氮抗生素，必然会对硝化和反硝化过程产生影响。王宇娜16研究了以风车草、菖蒲和再力花3种植物构建的人工湿地系统，结果表明植物种类与磺胺甲恶唑浓度均会对人工湿地脱氮性能产生影响，磺胺甲恶唑对3种湿地植物的生理活性均会产生抑制作用，从而导致硝态氮和总氮的去除率降低，且随着浓度的增加抑制效果增强，而再力花系统下的人工湿地相比风车草及菖蒲系统对磺胺甲恶唑的耐受性更高，脱氮效果也相对更好。Lu等17研究了添加磺胺甲恶唑前后垂直流人工湿地脱氮性能的变化情况，结果发现硝态氮去除率随着磺胺甲恶唑浓度的升高而降低。杨腾飞等18采用SBR反应器探究磺胺甲恶唑对活性污泥硝化及反硝化过程的影响，结果表明在MLSS浓度为3 gL的条件下，投加10 mgL的磺胺甲恶唑会对硝化过程产生较强的抑制作用，抑制率达到了421，而对于反硝化过程，磺胺甲恶唑并未产生明显的抑制作用。此结果与耿冲冲19研究磺胺甲恶唑对生物滞留池脱氮性能产生的影响相一致。由此可见，磺胺甲恶唑对生物脱氮过程产生的抑制效应主要发生在硝化过程，并且随着磺胺甲恶唑浓度的增加，抑制作用加剧。1.2磺胺甲恶唑对生物除磷的影响污水生物除磷机制主要是靠聚磷菌（PAOs）厌氧释磷、好氧吸磷来实现2021。聚磷菌包括多种微生物，如聚磷假丝酵母菌、红环菌属、不动杆菌属等，其活性受到温度、pH值、碳源、外源污染物等多种因素的影响22。磺胺甲恶唑作为外源污染物，对生物除磷过程必然会产生影响。张婧妍23以4种不同的挺水植物构建人工湿地，研究磺胺甲恶唑对人工湿地除磷效果的影响，结果表明4种植物在磺胺甲恶唑的作用下对总磷的去除效果均有不同程度的下降。赵美玲24针对不同浓度磺胺甲恶唑对强化生物除磷系统的影响进行了研究，试验结果表明，当MLSS和MLVSS浓度分别为4 609 mgL和3 276 mgL，磺胺甲恶唑投加量由20 ngL提高至5 mgL时，系统除磷率由81降至50左右，磺胺甲恶唑使系统中微生物的种类、数量发生变化，并且抑制部分聚磷菌的聚磷功能，且随着药物浓度提高，抑制作用越明显，这一结果与Long等25的研究结论一致。周猛26在SBR反应器中投加不同浓度的磺胺甲恶唑，考察其辛浩洋：磺胺甲恶唑对污水生物脱氮除磷的影响及机制研究7工业用水与废水INDUSTRIAL WATER WASTEWATERVol53No6Dec.，20222.1磺胺甲恶唑对生物脱氮的影响机制磺胺甲恶唑对生物脱氮的抑制作用主要发生在硝化阶段。目前已知氨单加氧酶可以将氨氮转化为亚硝酸盐，而亚硝酸盐氧化还原酶可以将亚硝酸盐降解为NO或NH3，这2种酶是参与硝化过程的关键酶2930。Huang等31基于偏最小二乘回归方法建立了磺胺甲恶唑对硝化作用毒性试验的最佳定量构效关系模型，该机理模型表明除了已知的磺胺甲恶唑会抑制二氢叶酸合成酶的活性以外，磺胺甲恶唑与亚硝酸盐氧化还原酶以及氨单加氧酶之间的结合作用是对硝化作用毒性效应的关键因素，且其对硝化作用产生影响的重要程度高于与二氢叶酸合成酶的结合。已有学者通过研究发现硝化细菌中的氨单加氧酶是由amoA、amoB和amoC基因编码的，亚硝酸盐氧化还原酶由nxrAXB基因编码3233，Cheng等34通过20 d的连续流动试验并结合15N示踪技术以及荧光定量PCR研究了磺胺甲恶唑对长江入河口沉积物硝化过程的影响，结果表明磺胺甲恶唑的投加会导致硝化过程中的氮转化功能基因受到抑制，该结论进一步证实了磺胺甲恶唑对生物脱氮的影响在于对亚硝酸盐氧化还原酶以及氨单加氧酶这2种硝化关键酶的抑制。对生物除磷效果的影响，结果表明低质量浓度的磺胺甲恶唑（1、2 mgL）对生物除磷性能几乎无影响，当其质量浓度达到50 mgL时，系统的除磷率由90降至66，通过计算厌氧及好氧阶段的比吸磷率与比释磷率进一步得出了磺胺甲恶唑对好氧吸磷的影响大于对厌氧释磷的影响。由前人的试验结果可知，当磺胺甲恶唑质量浓度在5 mgL以下时对生物除磷效果产生的影响较小，而当其质量浓度高于5 mgL时则会对生物除磷产生较强的抑制作用。2磺胺甲恶唑对生物脱氮除磷的影响机制为解决磺胺甲恶唑对生物脱氮除磷产生的抑制问题，首先需探究磺胺甲恶唑对生物脱氮除磷的影响机制。作为磺胺类抗菌剂，目前已知的磺胺甲恶唑对细菌的抑制机理与大多数磺胺类药物一样，都是通过干扰细菌的叶酸代谢来抑制细菌的生长。细菌不能直接利用其生长环境中的叶酸，而是利用环境中的对氨基苯甲酸和二氢喋啶、谷氨酸在菌体内的二氢叶酸合成酶催化下合成二氢叶酸，二氢叶酸在二氢叶酸还原酶的作用下形成四氢叶酸，四氢叶酸作为一碳单位转移酶的辅酶，参与核酸前体物（嘌呤、嘧啶）的合成27。磺胺甲恶唑可竞争二氢叶酸合成酶，阻碍二氢叶酸合成，从而抑制细菌的核酸代谢28。参与生物脱氮除磷的细菌种类繁多，包括硝化细菌、反硝化细菌、聚磷菌、聚糖菌等，磺胺甲恶唑对不同类型的脱氮除磷菌是否有不同的抑制原理需要深入研究。磺胺甲恶唑抑制脱氮除磷微生物活性机理如图1所示。磺胺甲恶唑与氨单加氧酶非活性位点结合，从而抑制氨单加氧酶活性磺胺甲恶唑抑制亚硝酸盐氧化还原酶活性磺胺甲恶唑通过氢键与范