典型EDCs在A2/O-MBR組合工藝中的遷移行為

吳春英，白鷺，谷風，陸文龍

（1.吉林化工學院資源與環境工程學院，吉林市132022；

2.清華大學環境學院環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室，北京100084）

典型EDCs在A2/O-MBR組合工藝中的遷移行為

吳春英1，2，白鷺1，谷風1，陸文龍1

（1.吉林化工學院資源與環境工程學院，吉林市132022；

2.清華大學環境學院環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室，北京100084）

以環境水體中21種典型內分泌干擾物（EDCs）為目標物，對其在某城市污水處理廠厭氧-缺氧-好氧與MBR的組合工藝（A2/O-MBR）中的遷移和歸趨進行了長期研究。結果表明，該工藝對21種EDCs有很強的去除能力。EDCs在A2/O-MBR工藝中泥水兩相的遷移行為用泥水分配系數（Kd）來表示，得到的較高的泥水分配系數表明污泥對EDCs有一定的吸附作用，水相中大部分EDCs是通過污泥吸附來去除。

內分泌干擾物質；雌激素活性；A2/O-MBR；遷移行為

內分泌干擾物（EDCs）是近年來被廣泛關注對生物體具有潛在危害的一類外源性物質，它通過干擾生物體的內分泌系統從而影響生物體的生殖發育、免疫、新陳代謝，導致性激素分泌量及活性下降，

使繁殖能力低下甚至出現變異〔1-3〕。研究表明，長期暴露在EDCs環境中，無脊椎動物、魚類、兩棲動物、哺乳動物都會受到一定的危害〔4-7〕。EDCs的種類很多，包括多溴聯苯醚（PBDEs）、烷基酚、雙酚A（BPA）及其衍生物以及類固醇激素，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。

傳統的處理工藝不能有效地去除EDCs這一類微量有機污染物，因此城市污水排放是EDCs進入環境的重要途徑。膜生物反應器（MBR）由于具有污泥齡長、生物量濃度高、食微比（F/M）低和剩余污泥量少等優點被廣泛應用于城市污水回用處理中。然而其與傳統的生物處理工藝結合起來應用于微量有機污染物去除，以及EDCs在工藝流程中的遷移轉化的研究還鮮有報道。筆者以某城市污水處理廠運行的厭氧-缺氧-好氧-MBR（A2/O-MBR）組合工藝為研究對象，選取雌激素及酚類物為主的21種內分泌干擾物質為目標物，研究該組合工藝各單元中目標物的去除特性，解析EDCs在A2/O-MBR工藝中的遷移轉化規律，以期為EDCs去除機理的研究及工藝運行的優化提供參考。

1 材料與方法

1.1 工藝流程和取樣

某城市污水處理廠采用A2/O—MBR—反滲透（RO）工藝，處理量為60 000m3/d，服務人口50萬，工藝流程如圖1所示。

圖1 污水處理工藝流程

原污水通過曝氣沉砂池和細格柵后進入A2/O系統，好氧池出水進入膜池，經膜過濾得到一般再生水，其中一部分輸入再生水管網供給用戶，另外約10 000m3則經過RO進一步凈化后補給城市景觀綠化用水系統。膜池按400%的回流比將污泥回流至好氧池，好氧池末端按500%將硝化液回流至缺氧池前段，缺氧池則按120%的回流比進一步將混合液回流至厭氧池。A2/O-MBR組合工藝總體積36 200m3，厭氧池、缺氧池、好氧池、MBR體積分別為4 125、13 375、17 500、1 200 m3，MLSS分別為4.3、7.9、9.4、11.5 g/L，平均MLSS 8.33 g/L，平均BOD5負荷0.26 kg/（kg·d），平均SRT=16.6 d。

以細格柵后出水作為本研究的進水，以MBR出水為本研究的出水，同時分別在厭氧池、缺氧池、好氧池、MBR池取水，分析樣品中的EDCs濃度、雌激素活性（EEQ），同時對常規污染物COD、氨氮（NH4+-N）、總氮（TN）、總磷（TP）及總固體懸浮物（TSS）進行分析。

1.2 試劑及分析方法

1.2.1 化學試劑

21種目標物的標準品，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）、環戊丙酸雌二醇（EC）、苯二甲酸雌二醇（EB）、美雌醇（EE3Me）、己烷雌酚（HES）、己烯雌酚（DES）、雙烯雌酚（DIES）、辛基酚（4-OP）、壬基酚（4-n-NP）、雙酚A（BPA）、雙酚B（BPB）、雙酚C（BPC）、雙酚F（BPF）、雙酚S（BPS）、雙酚AF（BPAF）、雙酚AP（BPAP）均購自于日本Wako公司，內標物17β-雌二醇-氘2（17β-E2-d2）由Dr.Ehrenstorfer，（Augsburg，Germany）提供。各標準品的純度在98.3%以上。

標準溶液采用甲醇作為溶劑配制，并保存在-18℃。甲醇等均購自于美國Fisher公司；實驗用所有溶劑均為HPLC級或以上，實驗用水均為超純水。

1.2.2 分析方法

污水樣品500mL經玻璃纖維（GF/B）過濾后，使用固相萃取裝置（20-Position Extraction Manifold，Waters）進行目標物富集。萃取小柱（OasisHLB 6 cc/ 200 mg Cartridge，Waters）經10 mL二氯甲烷/丙酮（體積比85∶15）淋洗，洗脫液在微量氮氣流下吹脫干燥，再用1mL二氯甲烷/丙酮（體積比85∶15）溶解。再溶后離心，取上清液置于200μL內插管中（離心參數4℃、3 000 r/min、15min）用以進行UPLC/MS/ MS分析〔8〕。泥樣經超聲溶劑萃取后同水樣的預處理方法一樣。

COD、氨氮、總氮、總磷等常規水質指標的測定均參考《水和廢水監測分析方法》（4版，2002）。

雌激素活性測定：重組酵母雌激素活性篩檢（YES）法；β-半乳糖苷酶活性測定：取200μL的上述稀釋后的測試菌體液，培養，顯色反應至最大顯色程度。加入500μLNa2CO3（1mol/L）終止顯色反應，15 500 r/min下離心10min，取200μL上清液于96微孔板中，用酶標儀測定吸光度（波長420 nm）。按式（1）計算β-半乳糖苷酶活性。

式中：u——β-半乳糖苷酶活性；

OD420——樣品（或標準品）在420 nm處的吸光度；

OD420b——空白對照在420 nm處的吸光度；

OD600——稀釋后的菌液在600nm處的吸光度；

V——測試培養液體積，0.2m L；

N——稀釋倍數；

t——顯色時間，min。

每一微孔板中樣品的活性評價均以該板中E2的劑量-響應曲線為對照。

雌激素活性比（RP）及E2當量（EEQ）計算：測試中目標物的響應可通過與E2的響應比較來反映，并按劑量對數繪圖描述。目標物RP可稱為E2當量因子，通過目標物i的EC50與E2的EC50之比計算得到，見式（2）。

式中：RP（i）——每種目標物的雌激素活性比；

EC50（i）——表示誘導β-半乳糖苷酶活性達到濃度為2×10-10mol/LE2的β-半乳糖苷酶誘導活性（為最高誘導活性）50%時各目標物濃度，mol/L；

EC50（E2）——表示誘導β-半乳糖苷酶活性達到濃度為2×10-10mol/L E2的β-半乳糖苷酶誘導活性（為最高誘導活性）50%時E2濃度，mol/L。

試驗中EEQ的確定：首先將樣品的雌激素活性表達為同一微孔板中E2（陽性對照）的最大響應的百分數（相對活性），并繪制相應樣品的相對活性-樣品濃縮倍數對數的劑量-響應曲線圖。樣品的EEQ可按式（3）計算。

式中：EEQ——E2當量雌激素活性，ng/L；

272.38 ——E2的摩爾質量，g/moL。

當某一批次測定中有樣品的最大相對響應低于50%時，該批次樣品采用EC20或EC10取代式（3）中的EC50進行計算〔9〕。

為了將生物分析結果與化學分析結果相比較，評估目標物對樣品的總體雌激素活性的貢獻，試驗中按式（4）確定樣品的理論雌激素活性當量（EEQC）。

式中：ci——樣品中目標物質量濃度，ng/L。

2 結果與討論

2.1 A2/O-MBR組合工藝對常規污染物的去除

取樣期間，A2/O-MBR工藝對常規污染物TSS、COD、NH4+-N、TN、TP的去除情況如表1所示。

表1 A2/O-MBR對常規污染物的去除性能

由表1可知，TSS、COD、NH4+-N、TP的去除率均達到95%左右，甚至超過95%，TN的去除率達到78%，出水中4項常規水質指標均達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）1級A標準。這些結果表明該工藝對常規污染物的去除效果良好，工藝運行穩定。

2.2 目標物EDCs在A2/O-MBR工藝流程中的去除行為

2.2.1 EDCs在A2/O-MBR工藝進出水中的濃度變化

目標物EDCs在進出水中的平均濃度如圖2所示。

圖2 EDCs在A2/O-MBR工藝進出水中的濃度

進水中BPA的質量濃度最高，達到219.1 ng/L。HES、DES、DIES的進水平均質量濃度較低，分別是4.6、7.5、5.5 ng/L。對于天然雌激素類，平均進水質量濃度分別是E1為118.7 ng/L，E2為144.3 ng/L，17α-E2為25.6 ng/L和E3為109.6 ng/L。進水中天然雌激素除17α-E2外，均超過100 ng/L，這可能是天然雌激素主要來源于人和野生動物的排泄物，因

此大量直接進入水體中。此外，城市污水處理廠進水中存在天然雌激素也可能與當地的養殖業尤其是奶牛場有關。有研究表明，奶牛場的排放廢物是天然雌激素的一個重要來源〔9-10〕，并且R.E.Erb等〔11〕認為，奶牛所排泄的雌激素中90%是以單體和共軛體形式存在的17α-E2、E2、E1。檢測出合成雌激素EE2的進水平均質量濃度為127.5 ng/L，高濃度的EE2可能由于近年來中國實行計劃生育政策，以EE2為主要構成成分口服避孕藥的大量使用。出水中EDCs質量濃度均在6.7 ng/L以下。EDCs在A2/O-MBR工藝的進出水中有明顯的差異，特別是BPA等雙酚類、E1、E2、E3和EE3Me這幾種典型EDCs的出水濃度較低，去除率達到95%以上，幾乎被完全除去。這可能因為這些EDCs屬于疏水性物質，被污泥吸附的原因。盡管DES、DIES、4-OP和4-n-NP這4種EDCs的去除率不是很明顯（分別為85.1%、84.9%、75.8%、77.1%），但它們在出水中的濃度很低，明顯低于傳統活性污泥工藝處理的出水中濃度。

2.2.2 泥相中EDCs在A2/O-MBR工藝中的沿程分布為了考察目標物EDCs在工藝系統中的歸趨，同時檢測了厭氧池、缺氧池、好氧池和膜池的污泥中的EDCs含量。泥相中21種EDCs的質量濃度從45.75 ng/g（BPAF，厭氧池）到2 342.83 ng/g（BPA，好氧池）的范圍不等，如圖3所示，污泥對各物質的吸附能力有著明顯的差異。污泥對BPA的吸附能力明顯高于其他物質。這些結果表明污泥吸附是EDCs被去除的主要途徑之一，也即污泥吸附對EDCs的去除有一定的貢獻。

圖3 EDCs在工藝流程污泥中的濃度分布

2.2.3 EDCs在泥水兩相中的去除行為

為了進一步解析污泥對目標物EDCs的吸附能力，選取吸附系數Kd來表征目標物質在泥水兩相中的分配行為〔12-13〕。Kd的定義見式（5）。

式中：Kd——吸附系數，L/kg；

CS——單位質量活性污泥的吸附量，μg/kg；

CW——水相中目標物的質量濃度，μg/L。

利用式（5）計算目標物EDCs在A2/O-MBR工藝流程各單元中的Kd，結果如表2所示。

表2 EDCs在工藝流程各單元的KdL/kg

通常，Kd大于500 L/kg時，可認為該物質發生了明顯的吸附作用。由表2的結果可知，21種EDCs在A2/O-MBR工藝各單元中的Kd都高于5 000 L/kg，尤其是激素類和雙酚類物質的Kd幾乎都高于10 000 L/kg，表明污泥對EDCs具有很強的吸附能力，也就是說這些EDCs在生物反應池中的去除主要是通過污泥吸附完成的，也驗證了EDCs在該工藝中的高去除率。這與A.Joss等〔14-15〕得到的結論類似。

2.3 A2/O-MBR工藝系統中雌激素活性的變化

為進一步評價目標物在工藝流程中的雌激素活性以及對內分泌干擾物質的整體去除情況，測定了每種目標物EDCs的雌激素活性和總體雌激素活性的當量值EEQ。并將測得的實驗值和理論計算值進行比較，結果如圖4所示。

進水中檢測到高達73.9 ng/L的EEQ值，其沿工藝流程呈現出逐漸降低的趨勢，在MBR出水中降低到4.7 ng/L。這表明盡管雌激素活性在工藝流程中幾乎被去除，去除率達到95%，但出水中仍顯

示出有一定的雌激素活性，表明其出水作為再生水的水源，仍然具有一定的環境風險，還需要進一步深度處理。實驗測得的EEQ濃度能夠與理論計算值相比較，并進行線性回歸，具有良好的線性關系（R2= 0.959 8）。在工藝流程中實驗值均略高于理論值，表明水體中還含有除以上目標物以外的雌激素類物質存在，使得β-半乳糖苷酶活性增大，從而表現出高的EEQ濃度。理論計算值與實驗值同樣在整個工藝流程中能夠有效地被去除，尤其在厭氧段和缺氧段表現出相對較好的去除效果，整體雌激素活性去除率分別達到41%和80%。另外，從理論值的構成來看，EEQ值絕大部分來自EE2和天然雌激素，特別是天然雌激素在出水中的E2當量在60%以上，因此在污水處理過程中，更加有效地去除天然雌激素的工藝和技術還需進一步研究，并且應嚴格控制天然雌激素進入水體。

圖4 工藝流程中雌激素活性理論值和計算值比較

3 結論

環境中典型具有內分泌干擾性的21種酚類化合物和雌激素物質在城市污水廠大型A2/O-MBR工藝中，進水質量濃度在4.56~219.1 ng/L的范圍內；出水中EDCs質量濃度均在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%左右甚至超過95%。EDCs在泥水兩相中的分配系數Kd從幾千到幾十萬L/kg。表明污泥對EDCs具有很強的吸附能力，大部分EDCs的去除是通過污泥吸附來實現的。

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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

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

2016-09-15（修改稿）

中國博士后科學基金項目（20080440374）