MBR工艺对公共建筑污水抗生素抗性基因的去除效果研究

谢运涛

摘要：为探究膜生物反应器(MBR)工艺对污水中常见的四环素抗性基因(tet A、tet W、tet X)和磺胺类抗性基因(sulⅠ、sulⅡ)的去除效果，评价回用水水质安全性，以某大型商业中心的污水为研究对象，采用MBR为核心的污水处理工艺，用q PCR(实时荧光定量聚合酶链式反应)技术分析A/O-MBRO3/AC组合工艺对ARGs的削减及去除机理。结果表明，在进水水质波动大、经常出现高污染高抗生素抗性基因丰度的情况，A/O-MBR-O3/AC组合工艺对水中各类ARGs的去除达2～3个数量级，使出水ARGs丰度稳定在10-0. 71～101. 93copies/m L，低于城市再生水厂的三级出水，且常规出水指标符合回用水相关标准，具有良好的回用安全性;根据ARGs与16S r DNA和sulⅠ1的显著正相关性，发现膜过滤对微生物的截留作用是去除ARGs的主要因素，臭氧活性炭工艺不能有效去除ARGs，且出现负去除现象，以MBR为核心的污水处理工艺可有效去除水中的ARGs，且16S r DNA和Ⅰ类整合子(sulⅠ1)的去除有助于ARGs的削减。

关键词：环境工程学; 抗生素抗性基因; 污水处理; 膜生物反应器(MBR);

污水再生利用是合理利用水资源的重要措施，建立中水回用系统也是大型公共建筑节水的有效方法之一。传统中水回用的优选水源多为优质杂排水，但对于大型公共建筑而言，优质杂排水的水量不能满足回用水水量的需求，因此将餐饮废水与生活污水纳入中水回用的水源范围内，经过处理后，水质满足GB/T 18920—2002《城市污水再生利用城市杂用水水质》和GB/T 18921—2002《城市污水再生利用景观环境用水水质》的要求，可应用于商业中心冲厕、园林绿化、景观喷泉等。

1 材料与方法

1.1 处理工艺流程及采样

该大型商业中心原污水包括餐饮废水、生活污水及洗浴废水，处理规模为600 m3/d。餐饮废水首先经过旋流曝气除油池进行油水分离，然后与生活污水、洗浴废水同时进入调节池。系统污泥停留时间60 d，污泥质量浓度维持在20～30 g/L。膜出水后，进入臭氧接触氧化塔与活性炭过滤器深度处理，最后投加次氯酸钠进行消毒。膜组件采用亲水性聚偏氟乙烯中空纤维膜，平均孔径为0.10μm，有效过滤面积为1.4 m2。A/O-MBR-O3/AC组合工艺流程图和采样点。

使用无菌取样瓶在进水(调节池出水)、MBR出水和臭氧-活性炭出水中收集废水样品，每个采样点收集废液量为2 L，分别在缺氧池、好氧池、MBR反应池中采集污泥-废水混合物(约4 L)，沉淀后获得每个处理单元的废水样品和污泥样品，6个采样点分别为进水(调节池出水)、缺氧池污泥混合物、好氧池污泥混合物、MBR池污泥混合物、MBR出水、臭氧-活性炭出水。因商业中心随办公时间和餐饮时间污水水质变化较大，因此分别在5个时间点进行采样分析，分别是9:00、11:00、14:00、17:00、20:00和22:00。

样品收集后，将污泥-废水混合物静置2～3 h，待污泥样品与废水样品分离，收集5个废水样本(W1-1、W1-3、W1-4、W1-5和W1-6)和3个污泥样本(W2-2、W2-3和W2-4)。

1.2 污水样品水质分析

生化需氧量BOD5、铵盐态氮NH4+-N、总氮TN、总磷TP采用国家标准方法测定，浊度采用HACH2100N便携式浊度仪(美国哈希)测定，色度采用PFX-i102661高精度全自动色度仪(英国Tintometer Lovibond)测定，pH值采用梅特勒-托利多pH计测定。

1.3 抗性基因检测方法

将废水样品(W1-1、W1-3、W1-4、W1-5和W1-6)通过0.22μm混合纤维素酯水系滤膜(Solarbio)浓缩微生物生物量，收集过滤后的膜片，置于-20℃保存，尽快进行DNA提取。将污泥样品摇匀取4m L，离心，沉淀得到203 mg，用土壤基因组DNA快速抽提试剂盒(B518233)进行DNA提取，然后置于-20℃保存。

对处理过程水样中的ARGs进行检测，检测基因的引物由生工生物工程(上海)股份有限公司合成，对抗性基因进行PCR扩增及定性定量检测，PCR扩增率为95.894%～121.696%,R2为0.995～0.999。

1.4 数据分析

采用配对t检验水工艺处理前后的ARGs丰度，当p<0.05时认为具有统计学意义。通过皮尔逊二元相关分析(Pearson bivariate correlation analysis)确定各参数与水质的关系。所有分析均采用SPSS22.0.0进行数据统计。

2 结果与讨论

2.1 原水分析

对不同时间段采集的水样进行了ARGs的检测，进水水样中3种四环素抗性基因(tet A、tet W、tet X)和2种磺胺类抗性基因(sulⅠ、sulⅡ)的绝对丰度，进水样品中均检测到目标抗性基因。

，采样n=6，水平线表示采样日中进水各ARGs绝对丰度的中位数，结果表明进水的各ARGs波动较大，这是由于商业中心随办公时间和餐饮时间污水水质变化较大。9:00的采样点抗性基因的丰度较低，根据本污水处理回用系统一般在凌晨4:00左右处理完成前一日的污水，早8:00夜班人员下班进行淋浴，此时的进水含大量淋浴废水，故水质较好，同时含有的抗性基因也少。下午14:00的ARGs绝对丰度最高，这与办公午休时间的人员排泄废水量较大有关，同时这也是餐饮时间过后，大量的餐饮废水会带来较高的COD(2169 mg/L)、NH4+-N(32 mg/L)、浊度(395NTU)、色度(92度)，这时一方面对有机物的去除提出挑战，另一方面也给ARGs的去除带来一定难度。

进水中的ARGs绝对丰度(中位数)由高到低为sulⅠ(104.59copies/m L)、tet X(104.30copies/m L)、tet A(104.11copies/m L)、sulⅡ(103.80copies/m L)、tet W(102.44copies/m L)。我国城市污水处理厂进水中四环素类抗性基因浓度差别较大，但大都在104.59～107.49copies/m L;磺胺类的检出浓度更高，在105.46～108.02copies/m L。本文大型商业中心进水的ARGs的绝对丰度虽然低于城市污水处理厂，但水质波动较大，给ARGs和污染物的去除均带来一定难度。

2.2 抗生素抗性基因的去除效果

为了研究以MBR工艺为核心的组合工艺对ARGs的去除效果，分别测定A/O-MBR-O3/AC处理系统中不同处理段的ARGs绝对丰度。

在A/O-MBR-O3/AC组合工艺处理过程中，A/O池对各种污染物的去除起着重要作用。然而，A/O池出水(W1-4)中检出总ARGs的绝对丰度在104.72copies/m L，没有明显下降(p<0.05)。此外，在污泥样品(W2-3)中检测到的基因丰度比相应的废水样品高出约1个数量级。MBR工艺出水(W1-5)的总ARGs的绝对丰度为101.87copies/m L，比A/O池出水(W1-4)绝对丰度减少了4.72log，对ARGs的处理效果明显。MBR工艺对四环素类和磺胺类抗性基因均有良好的去除效果，分别为:tet A降低了2.78log,tet W降低了2.44log,tet X降低了2.83log,sulⅠ降低了2.82log,sulⅡ降低了2.84log。这与许多学者的研究成果一致，Du等检测采用A2O-MBR工艺的污水处理厂ARGs的去除情况，发现tet W和tet X的浓度均有减少，tet A减少了1.88～4.61log,tet X减少了1.71～4.73log。Munir等检测了多个常规污水处理厂和一个MBR为核心的污水处理厂的ARGs，结果表明MBR工艺对污水大部分ARGs去除率最高，削减量平均为2.57～7.06log。然而臭氧活性炭出水(W1-6)中出现了tet A和sulⅠ的负去除现象，且其他ARGs的去除效果不明显(tet W降低了0.38log,tet X降低了0.15log,sulⅡ降低了0.06log)，表明臭氧活性炭工艺不能有效去除ARGs。

在整个工艺流程中可明显看出MBR工艺对ARGs的去除贡献最大，使A/O-MBR-O3/AC组合工艺出水ARGs稳定保持在较低水平，分别为:tet A 100.95copies/m L,tet W 10-0.71copies/m L,tet X100.53copies/m L,sulⅠ101.91copies/m L,sulⅡ100.79copies/m L，远低于城市再生水厂的三级出水中ARGs的绝对丰度，可有效保证回用水水质安全性。

2.4 MBR工艺对抗生素抗性基因的去除机理

2.4.1 抗性基因与16S r DNA的相关性分析

以表达保守的16S r DNA的拷贝数表征不同工艺段样品中微生物的含量，通过皮尔逊二元相关分析法探究微生物量和ARGs的关系，对各水处理工艺段的ARGs绝对丰度与16S r DNA绝对丰度进行相关分析。抗生素抗性基因tet A、tet W、tet X、sulⅠ、sulⅡ与16S r DNA的决定系数R2分别为0.971、0.995、0.983、0.988和0.945，并且结果都在0.01水平显著相关。结果表明，污水中四环素与磺胺类ARGs含量与微生物量密切相关。

2.4.2 抗性基因与Ⅰ类整合子的相关性

整合子是典型的基因捕获和传播系统，整合子在DNA中普遍存在，包括染色体和移动基因元件(MGE，如质粒和转座子)，整合子作为基因转移的重要机制，促进了微生物间ARGs的水平转移。在这些整合子中，Ⅰ类整合子intⅠ1最为常见，因此选择Ⅰ类整合子intⅠ1作为研究对象，采用皮尔逊二元相关分析方法探究Ⅰ类整合子(intⅠ1)绝对丰度与ARGs的关系。

3 结论

A/O-MBR-O3/AC组合工艺对水中各类ARGs去除达到2～3个数量级，出水ARGs丰度在10-0.71～101.91copies/m L，低于城市再生水厂的三级出水，同时出水常规污染物指标均满足城市污水再生利用的水质要求。

MBR工艺段出水的ARGs稳定保持在10-0.33～101.76copies/m L，同时生物量也降到最低。膜过滤对微生物的截留作用是去除ARGs的主要原因，且16S r DNA和Ⅰ类整合子(intⅠ1)的去除有助于ARGs的削减。臭氧活性炭处理段对ARGs去除没有贡献。