農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖污水處理設(shè)備

　3 畜禽養(yǎng)殖廢水中重金屬對(duì)抗生素抗性基因的影響 

　　畜禽養(yǎng)殖過(guò)程在飼料中添加銅、鋅等重金屬引起豬糞水中抗銅、抗鋅細(xì)菌的增加，畜禽養(yǎng)殖廢水存在抗生素與重金屬?gòu)?fù)合污染特征.在重金屬的選擇壓力下，畜禽養(yǎng)殖糞水中重金屬抗性基因豐度較高.對(duì)豬飼料、腸道和糞便中抗銅細(xì)菌進(jìn)行了分析鑒定，

發(fā)現(xiàn)豬糞中抗銅大腸桿菌與飼料中硫酸銅添加量正相關(guān)，分離得到的239株抗銅細(xì)菌中攜帶抗銅基因pcoA、pcoC、pcoD，攜帶抗銅基因的細(xì)菌也同時(shí)攜帶*和四環(huán)素的抗性基因(strA、strB、tetB).而研究了豬糞中抗鋅細(xì)菌的分布規(guī)律，結(jié)果表明豬糞中普遍存在抗鋅細(xì)菌，抗鋅大腸桿菌的檢出率與飼料中氧化鋅的添加成正相關(guān)關(guān)系;抗鋅菌株主要攜帶抗鋅基因zntA.

　　畜禽養(yǎng)殖環(huán)境重金屬的污染不僅引起重金屬耐受菌及抗銅、抗鋅基因豐度的提高，可能存在重金屬與抗生素的協(xié)同選擇作用(coselection)，重金屬的選擇壓力可能使抗生素抗性基因豐度維持在較高水平.歐盟國(guó)家已禁止抗生素飼料添加劑的使用，但減少抗生素使用并不會(huì)阻止抗性基因的傳播，養(yǎng)殖場(chǎng)重金屬使用可能會(huì)通過(guò)協(xié)同選擇增加抗生素抗性基因的傳播.研究發(fā)現(xiàn)磺胺類sulA與重金屬Hg、Cu、Zn具有顯著相關(guān)關(guān)系.研究發(fā)現(xiàn)豬場(chǎng)廢水中高濃度的Cu和Zn顯著提高了耐β內(nèi)酰胺大腸桿菌的豐度.

 圖1 豬糞分離的具有重金屬與抗生素協(xié)同抗性的質(zhì)粒pMC2

　　指出重金屬和抗生素抗性的協(xié)同選擇機(jī)制主要是因?yàn)橹亟饘俸涂股氐目剐詸C(jī)制的耦合作用，包括交叉抗(crossresistance)和協(xié)同抗(coresistance).叉抗性是某種抗性基因編碼的酶或蛋白具有提高細(xì)胞耐受多種抑菌物質(zhì)(如抗生素或重金屬)的能力，

如多重藥劑外排泵(multi drug efflux pumps)，其可以將毒性物質(zhì)迅速排出細(xì)胞外.而協(xié)同抗性指的是具有兩種或多種抗性功能的基因相互鄰近并在一個(gè)移動(dòng)基因元件上.如豬糞中分離的質(zhì)粒pMC2，

攜帶大環(huán)內(nèi)脂、四環(huán)素等抗生素抗性基因和汞、鉻等重金屬抗性基因，具有很強(qiáng)的移動(dòng)和結(jié)合能力總結(jié)了畜禽糞便中重金屬引起抗生素協(xié)同抗性的zui小濃度(Minimum coselective concentration，MCC)，Cu和Zn的MCC值分別為11.79和22.75 mg · kg-

1 DM，但作者也指出非常缺乏畜禽養(yǎng)殖廢水重金屬對(duì)抗生素抗性基因協(xié)同選擇的數(shù)據(jù).另外，養(yǎng)殖廢水復(fù)合污染的特性也增加了抗性基因研究的難度.4 畜禽養(yǎng)殖廢水處理工藝對(duì)抗性基因的消減 (Removal of antibiotic resistance genes during process of animal wastewater treatment) 4.1 常規(guī)生物處理工藝

　　厭氧消化是畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)采用的廢水處理工藝.指出厭氧過(guò)程抑制細(xì)菌代謝，對(duì)抗性基因傳播具有抑制作用.指出ARGs去除與厭氧菌群結(jié)構(gòu)具有相關(guān)性，主要表現(xiàn)在抗性基因的宿主菌群在厭氧環(huán)境中的變化.

　　針對(duì)厭氧消化處理養(yǎng)殖廢水抗性基因的變化，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研較多，參數(shù)優(yōu)化的研究較少，針對(duì)豬場(chǎng)廢水的研究較多，其他種類的養(yǎng)殖廢水研究較少，不同生物處理工藝抗性基因賦存特征詳見(jiàn)表 2.研究了不同規(guī)模豬場(chǎng)的廢水生物處理系統(tǒng)抗性基因去除效果，

結(jié)果表明厭氧消化和好氧生物處理對(duì)tetA、tetW、sul1、sul2、blaTEM抗性基因平均去除率在33.3%~97.56%.考察了環(huán)境溫度下厭氧消化在不同季節(jié)的處理效果，夏季ermB、ermF、ermX的去除效果優(yōu)于冬季，夏季厭氧消化出水較豬場(chǎng)原廢水ermB、ermF、ermX和tetG平均降低1.2、0.8、0.7和1.1 log copies · mL-1，

表明溫度是厭氧消化去除抗性基因的重要控制指標(biāo).針對(duì)溫度對(duì)厭氧消化抗性基因消減的影響，)指出高溫厭氧消化對(duì)四環(huán)素類抗性基因tetA、tetO、tetW、tetX有顯著去除，它們的去除符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，而tetL只存在于革蘭氏陰性菌，厭氧處理對(duì)其去除效果不明顯，

而在好氧高溫處理(55 ℃)過(guò)程中tetL豐度表現(xiàn)出線性降低趨勢(shì).比較了高溫和中溫厭氧消化對(duì)牛糞中耐藥菌的影響，結(jié)果表明高溫可全部消滅多重耐藥菌(抗*、*、*、*、*等)，而中溫發(fā)酵只可以去除多重耐藥菌1~2 log cfu · mL-1.

　農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖污水處理設(shè)備

表2 豬場(chǎng)廢水生物處理過(guò)程中抗性基因的賦存特性

　　除厭氧消化工藝以外，氧化塘、人工濕地也是畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)廣泛使用的廢水處理工藝.Joy等.調(diào)查了氧化塘儲(chǔ)存豬場(chǎng)廢水40 d抗性基因的變化，ermB和ermF的豐度分別降低了50%~60%和80%~90%，而tetX和tetQ豐度的消減符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型.將氧化塘處理豬場(chǎng)廢水后抗性基因的去除趨勢(shì)歸為兩類，一類是相對(duì)豐度大幅降低甚至低于檢測(cè)限，

包括tetB、tetL;另一類為經(jīng)處理后豐度不變甚至有所提高，包括tetG、tetM、tetO和tetX，可能因?yàn)檫@類基因常位于轉(zhuǎn)移原件上，在廢水中發(fā)生了基因的水平轉(zhuǎn)移.鄭加玉等采用水平流人工濕地處理豬場(chǎng)廢水，結(jié)果表明tetW、tetM和tetO的濃度平均去除率分別為95.73%、92.21%和95.05%;可能由于土壤對(duì)抗性基因的吸附作用，濕地土壤中抗性基因的豐度有明顯升高現(xiàn)象.Liu等模擬垂直流人工濕地中添加沸石研究抗性基因的消減規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在HRT為30 h時(shí)豬場(chǎng)廢水抗性基因去除效果較好.

　　4.2 膜生物反應(yīng)器(Membrane bioreactor，MBR)工藝

　　膜分離技術(shù)近年已在畜禽養(yǎng)殖廢水處理領(lǐng)域得到了一定的研究與應(yīng)用，并日益得到重視.例如，Padmasiri等采用厭氧MBR處理豬場(chǎng)廢水，有機(jī)負(fù)荷為1.0 kg · m-3 · d-1高于其他厭氧消化工藝采用好氧MBR處理豬場(chǎng)厭氧消化液TN負(fù)荷0.11 kg · m-3 · d-1較高.

然而針對(duì)MBR處理畜禽養(yǎng)殖廢水抗性基因去除規(guī)律的研究較少.Du等調(diào)研了污水處理廠采用A2OMBR工藝處理生活和工業(yè)混合廢水對(duì)四環(huán)素類和磺胺類抗性基因的去除效果，結(jié)果表明MBR工藝對(duì)tetG、tetW、tetX、sul1和intI1分別去除了2.20、2.90、1.71、2.15和2.07 log copies · mL-1，膜出水抗性基因豐度仍然較高(2.85~4.97 log copies · mL-1)，然而作者并未給出膜孔徑等膜分離工藝參數(shù).

　　同常規(guī)生物處理工藝相比，MBR的生物量高，可能存在較大的抗性基因水平轉(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn).Yang等以RP4質(zhì)粒作為水平轉(zhuǎn)移研究對(duì)象，研究了MBR中抗性基因的水平轉(zhuǎn)移效率，結(jié)果表明RP4在MBR中維持較高豐度104 copies/mg · biosolid，具有較高的水平轉(zhuǎn)移效率(2.76×10-5/recipient)，而RP4在常規(guī)活性污泥法的水平轉(zhuǎn)移效率約4×10-6 /recipient;

盡管存在較高的水平轉(zhuǎn)移效率，但由于微濾膜(PVDF，0.22 μm)的截留作用，出水檢測(cè)不到攜帶抗性基因的RP4.由于膜的截留，一方面可消減膜出水的抗性基因濃度，另一方面導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度高，可能使抗性基因在反應(yīng)器內(nèi)積累，提高了污泥中抗性基因的水平傳播.污泥是重要的抗性基因蓄積庫(kù)，經(jīng)過(guò)堆肥或厭氧消化處理后作為肥料土地利用，污泥的土地利用存在抗性基因的污染隱患.

　4.3 消毒工藝

　　已有研究考察了消毒工藝(包括紫外、臭氧、加氯)處理畜禽養(yǎng)殖廢水時(shí)對(duì)耐藥菌的殺滅效果.研究發(fā)現(xiàn)，加氯量和臭氧用量分別為30 mg · L-1和100 mg · L-1時(shí)，豬場(chǎng)氧化塘廢水中細(xì)菌總數(shù)分別去除了2.2~3.4 log cfu · mL-1和3.3~3.9 log cfu · mL-1，然而林可酰胺、*、磺胺甲惡唑耐藥菌對(duì)加氯消毒不敏感，而四環(huán)素耐藥菌對(duì)加氯消毒敏感，臭氧對(duì)耐藥菌的影響并未給出相應(yīng)結(jié)果.加氯對(duì)抗*腸球菌具有較好的滅殺作用.而GomezAlvarez等研

究加氯消毒對(duì)飲用水中抗性基因的影響，宏基因組數(shù)據(jù)表明加氯消毒后飲用水中仍含有編碼β內(nèi)酰胺酶(bla)、外排泵等抗生素抗性基因，表明耐受液氯氧化性的細(xì)菌同時(shí)攜帶抗生素抗性基因.關(guān)于紫外和臭氧對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水抗性基因的去除研究較為缺乏,研

究了紫外滅菌對(duì)市政排水抗性基因消減的影響，結(jié)果表明紫外強(qiáng)度為249.5 mJ · cm-2時(shí)對(duì)抗性基因消減效果可以，tetX和16S rRNA分別去除了0.58和0.60 log.Oh等采用模擬實(shí)驗(yàn)研究了臭氧對(duì)耐藥性埃希氏大腸桿菌(Eschericia coli， E. coli)的去除，結(jié)果表明臭氧劑量為3 mg · L-1時(shí)耐藥性E. coli去除了1 log.

聚合氯化鋁(PAC)是一種廣泛使用的無(wú)機(jī)絮凝劑,印染經(jīng)生化處理后色度往往難以達(dá)標(biāo),采用PAC 進(jìn)行深度脫色處理效果較好, 但其存在用量大,水中殘留鋁對(duì)環(huán)境有害,形成的絮體結(jié)構(gòu)松散,沉降性能欠佳,水力沖擊下容易返渾等缺點(diǎn)〔1〕?

目前改性硅藻土也常用于染料廢水的脫色〔2〕,硅藻土廉價(jià)無(wú)毒,適應(yīng)性強(qiáng),但吸附性能與活性炭相比還有差距,且多呈粉體難以固液分離?采用改性硅藻土復(fù)配聚合氯化鋁絮凝劑處理染料溶液, 可以獲得結(jié)構(gòu)密實(shí)的絮體,提高脫色效率,改善沉降性能,減少PAC用量從而減輕Al3+溶出對(duì)環(huán)境造成的危害, 由于硅藻土價(jià)格低廉,同時(shí)也可降低水處理成本?

1 實(shí)驗(yàn)部分

　　1.1 材料與儀器

　　材料:硅藻土,化學(xué)純,質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以Si 計(jì))為88%;聚合氯化鋁,質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以Al2O3計(jì))為10%?以上材料均來(lái)自常州友邦凈水材料有限公司?商品活性艷紅?

　　儀器:721 分光光度計(jì),上海精密科學(xué)儀器有限公司;MY3000-6 智能型混凝試驗(yàn)攪拌儀,潛江梅宇儀器有限公司;pHS-3C 型酸度計(jì),上海虹益儀器儀表有限公司?

　　1.2 硅藻土改性方法

　　將硅藻原土用0.1 mol/L 的稀HCl 溶液浸泡24 h,然后用去離子水沖洗?烘干,在450 ℃下焙燒1 h 至微呈粉紅色,備用?

　　1.3 絮凝劑復(fù)配方法

　　將聚合氯化鋁在85 ℃下烘0.5 h, 然后與改性硅藻土按照一定的質(zhì)量比混合后反復(fù)研磨,即得復(fù)合絮凝劑?

　　1.4 脫色率測(cè)定

　　活性艷紅濃度采用分光光度法在540 nm 波長(zhǎng)處測(cè)定?

　　脫色率=(C0-C1)/C0×*

　　式中:

　　C0———活性艷紅初始質(zhì)量濃度,mg/L;

　　C1———處理后活性艷紅質(zhì)量濃度,mg/L?

國(guó)內(nèi)某大型煉油企業(yè)采用“ 兩級(jí)氣浮+A/O+MBR”的傳統(tǒng)工藝處理高酸重質(zhì)原油加工過(guò)程產(chǎn)生的廢水,因該廢水具有高酸?高氮及難生物降解等特點(diǎn), 處理出水如不經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理很難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),更不可能達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn),這是大多數(shù)煉油企業(yè)所面臨的問(wèn)題?

　　臭氧的氧化能力很強(qiáng), 其作用機(jī)理可分為直接反應(yīng)和間接反應(yīng)?通常,在酸性條件下(pH<4),以直接反應(yīng)為主;在堿性條件下(pH>10),以間接反應(yīng)為主?但其氧化特性決定了單一的臭氧氧化有一定的局限性?因?yàn)閱我坏某粞跹趸荒軐⒂袡C(jī)物*分解為CO2和H2O,

同時(shí)難以達(dá)到較高的COD 去除效果?因此,近些年發(fā)展的臭氧氧化技術(shù)主要以聯(lián)合工藝為主〔1-2〕,其中一種是用各種催化方法強(qiáng)化臭氧單元的氧化能力,例如非均相催化臭氧氧化〔3-4〕等?筆者采用自主研發(fā)的催化劑和開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的催化氧化反應(yīng)器對(duì)高酸重質(zhì)原油的MBR 出水進(jìn)行了處理,取得了良好的處理效果?