DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.04.004

甾体雌激素在不同污水处理工艺中的去除规律

纪付元^{1, 2, 3}，田云飞¹，袁守军 ²，张梦涛²，黄德英⁴，张继彪¹

(1. 复旦大学 环境科学与工程系，上海 200433；

2. 合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥，230009；

3. 中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南 长沙，410007；

4. 复旦大学 化学系，上海，200433)

摘要：采用气相色谱-质谱技术，研究甾体雌激素在4座具有深度处理工艺的污水厂中的去除效果。研究结果表明：4座污水厂的进水中均检出甾体雌激素，雌酮、17β雌二醇和雌三醇的质量浓度为15.1~607.0 ng/L，高于国外污水厂进水中雌激素的平均质量浓度。污水厂对雌酮、雌三醇和乙炔基雌二醇平均去除率为88.1%~97.3%，优于传统的污水处理工艺；生物处理工艺段对甾体雌激素的去除占主导地位，且活性污泥系统对雌激素的去除效果优于生物膜系统。沉淀预处理和混凝沉淀+过滤深度处理工艺段对甾体雌激素的去除效果不佳，平均去除率为10%~20%。4座污水厂均不能彻底去除污水中的甾体雌激素，污水厂尾水及剩余污泥中残留较高质量浓度雌激素。

关键词：甾体雌激素；污水处理工艺；去除作用；规律

中图分类号：X703.1             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)04-0873-07

Removal of steroid estrogens in different wastewater treatment processes

JI Fuyuan^{1, 2, 3}, TIAN Yunfei¹, YUAN Shoujun², ZHANG Mengtao², HUANG Deying⁴, ZHANG Jibiao¹

(1. Department of Environmental Science and Engineering, Fudan University, Shanghai 200433, China;

2. School of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;

3. China Machinery International Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Changsha 410007, China;

4. Department of Chemistry, Fudan University, Shanghai 200433, China)

Abstract: Removal efficiency of steroid estrogens in four different wastewater treatment plants (WWTPs) with advanced treatment processes was studied using gas chromatography-mass spectrometry. The results show that all of the five estrogens are detected in the four WWTPs, and the concentrations of estrone, 17β estradiol and estriol are from 15.1 to 607.0 ng/L, which is higher than that of foreign countries. The average removal rate of estrone, estriol and ethinyl estradiol is 88.1%-97.3%, which is higher than that in tranditional WWTPs. The biological treatment process is dominant for the removal of estrogens and the removal effect of estrogens is better in activated sludge system than that in biological membrane system. Sedimentation pretreatment and advanced treatment processes of coagulation, sedimentation and filtration are not good for the removal of steroids, with average revomal rate of 10%-20%. Steroid estrogens can not be removed completely in the 4 WWTPs, which results in the high residues of estrogens in both effluent and discharged sludge.

Key words: steroid estrogen; wastewater treatment processes; removal; mechanism

甾体雌激素为四环脂烃类化合物，也称类固醇雌激素，是典型的内分泌干扰物(EDCs)。环境中纳克升级浓度的甾体雌激素即表现出较强的生态(生理)毒性，如造成水生生物雌性化、男性不育、儿童早熟等^[1-3]。环境中的甾体雌激素分为2大类：1) 人工合成甾体雌激素(外源雌激素)，如乙炔基雌二醇(EE2)，广泛用于口服避孕药及女性性腺功能不良、闭经、更年期综合症、晚期乳腺癌等疾病治疗；2) 天然甾体雌激素(内源雌激素)，如雌酮(E1)、17α雌二醇(17α-E2)、17β雌二醇(17β-E2)和雌三醇(E3)等，广泛存在于人类及哺乳动物体内，并随代谢废弃物一起被排入环境。每位女性在经期排放的雌激素为1.52~10.73 μg/d，而在怀孕期间，雌激素排放量则为其他正常人群的400~1 400倍^[4]。人类及哺乳动物排放的甾体雌激素通过多种途径，进入城市污水，导致污水厂中频繁检出雌激素，部分污水厂中甾体雌激素的质量浓度高达几百ng/L^[5]。不少学者对城市污水处理厂中雌激素的迁移转化行为开展了研究，由于污水处理工艺的多样性，以及工艺参数的不确定性等因素，污水处理厂对雌激素的去除作用表现出较大差异。近年来，不少污水处理厂对其处理工艺进行了提标改造，以应对日益突出的水体富营养化问题；然而，升级后的污水处理工艺对甾体雌激素的去除作用，目前尚未见文献报道。本文作者以5种常见的甾体雌激素为对象，利用GC-MS技术，研究4个具有三级处理工艺的污水处理厂对甾体雌激素的去除效果，并分析不同工艺段对雌激素的去除作用机理，研究结论可为相关污水处理厂的运行提供参考。

1  实验

1.1  污水厂简介及样品采集

本文采样的4个污水处理厂(分别为A，B，C和D厂)位于华东地区某市，污水厂基本资料如表1所示。为了进一步改善出水水质，4个污水厂均在原有一级处理(格栅+沉砂池)和二级处理(生物处理工艺)工艺的基础上，增加了深度处理工艺(三级处理工艺：混凝沉淀+过滤)，工艺流程如图1所示。

为了考察不同工艺(段)对甾体雌激素的去除效果，本研究分别在4个水厂的进水口(AW1，BW1，CW1和DW1)、一级处理段(AW2，BW2，CW2和DW2)、二级处理段(AW3，BW3，CW3和DW3)和出水口(AW4，BW4，CW4和DW4)设置了水样采样点，在污泥脱水机房设置了剩余污泥采样点(AS1，BS1，CS1和DS1)。样品采集时间为2013-09，连续采样7 d；每个采样点每日采集混合样品1个(由4~6个瞬时样品混合而成)，液体样品采样体积为2 L，剩余污泥样品(含水率80%左右)采样质量为1 kg。样品采集后(液体样品调节pH至2.0左右)，放置于保温盒内，立即送至实验室，于24 h内进行预处理。

1.2  试剂、材料及仪器

E1，17α-E2，17β-E2，E3，EE2和17β-E2-d3纯度均大于98%，购于Sigma公司；N，O-双(三甲基硅烷)三氟乙酰胺(BSTFA, 99%)购自美国REGIS公司；乙腈、甲醇、乙酸乙酯、丙酮和N, N-二甲基甲酰胺(DMF)等溶剂均为农残级，购自美国Tedia公司；固相萃取(SPE)柱(ENVI-C18, 6 mL, 0.5 g)购自美国Supelco公司，玻璃纤维滤膜(GF/F，47 mm)购自英国Whatman公司。

气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)(Clarus SQ 8T, Perkin Elmer)，台式高速冷冻离心机(5810R, eppendorf)，旋涡混合器(QL-861，海门其林贝尔)，氮吹仪(HSC-12A，天津恒奥)；固相萃取装置(Visiprep DL，美国Supelco)。

1.3  样品分析方法

1.3.1  样品预处理方法

参照文献[6]中的方法对污水及污泥样品进行预处理。

污水样品预处理方法。取500 mL水样，以玻璃纤维膜过滤以去除悬浮杂质，以HCl调节pH=2.0，然后以15 mL/min的速度流过SPE柱(SPE柱使用前分别采用3 mL乙酸乙酯与丙酮体积比为1:1溶液、3 mL甲醇和3 mL pH=2的水活化)，用5 mL甲醇与水体积比为4:6溶液清洗SPE柱，真空干燥1 h；最终用8 mL乙酸乙酯与丙酮体积比为1:1溶液洗脱。洗脱液使用轻柔氮气吹干，并用1 mL乙腈定容，转移至GC小瓶，继续用氮气吹干，加入200 μL DMF和50 μL BSTFA，在40 ℃条件下反应1 h，然后采用GC/MS分析样品中甾体雌激素的质量浓度。

表1  污水厂基本资料

Table 1  Basic data of WWTPs

图1  污水处理厂处理工艺流程示意图

Fig. 1  Wastewater treatment processes of WWTPs

污泥样品预处理方法。称取0.005 g冻干研碎的污泥样品于离心管中，分别加入15 mL磷酸缓冲溶液(pH=2)、1 μg内标物17β-E2-d3和20 mL乙腈，超声震荡20 min，在10 000 r/min条件下离心5 min，上清液旋转蒸发至约10 mL，然后参照液体样品预处理方法进行净化、浓缩和衍生化处理。

1.3.2  GC-MS条件

色谱柱为HP-5毛细管柱(色谱柱长度×内径×膜厚为30 m×0.25 mm×0.25 μm，Agilent)，柱温采用一阶程序升温控制：起始柱温为75 ℃(保持1 min)，以15 ℃/min升至280 ℃，保留5 min。传输线温度280 ℃，离子源温度为250 ℃。载气为高纯氦气，流量为1 mL/min(线速度为26 cm/min)。采用Scan模式确定目标物的特征离子，进行定性分析。通过添加17β-E2-d3(1.0 mg/L，100 μL)作为内标物进行定量。

1.3.3  分析方法质量控制

以样品的加标回收率及相对标准偏差(RSD)来表征该分析方法的精确性和灵敏度，分别以目标样品峰信噪比的3倍和10倍计算该方法的检出限(LOD)和定量限(LOQ)。对于污水样品，甾体雌激素的LOD为1.1~2.0 ng/L，LOD为3.2~5.9 ng/L，在加标量为100~1 000 ng/L时(n=4)，目标物的回收率为75%~114%，RSD为4%~13%。对于污泥样品，LOD为0.9~4.3 ng/g，LOD为4.0~12.8为ng/g，在加标量为100~1 600 ng/g时，目标物的回收率为75%~120%，RSD为2%~12%。

2  结果与讨论

2.1  污水厂进水中甾体雌激素的分布特征

除了D厂中未检出17α-E2外，各污水厂进水中均检测到了5种甾体雌激素(图2)。进水中E1，17β-E2和E3的质量浓度总体较高，特别是C厂，E1和E3的平均质量浓度达到600 ng/L，与北京、深圳等地污水厂调研结果相近^[7-8]，但高于与国内外污水厂中的质量浓度^[5]，这可能是由于本研究采样的污水厂的服务区域内人口密度远高于国外所致。污水厂进水中，17α-E2的质量浓度较低，为0~52.1 ng/L。由图2可见：污水中的雌激素主要是来源于人类生活污水的排放，而并非畜禽养殖场^[4]；D厂进水中雌激素的质量浓度明显比其他污水厂的低，这可能与污水的来源相关；D厂的收水区域位于新城开发区，人口密度相对偏低，且进水中混有部分工业废水，进水中有机质的质量浓度比其他污水厂的低(表1)，因而雌激素的质量浓度较低。

图2  污水处理厂进水中雌激素质量浓度分布

Fig. 2  Estrogens distribution in influent of WWTPs

2.2  污水处理厂对甾体雌激素的去除作用

2.2.1  不同污水厂对甾体雌激素的去除效果

4个污水厂中5种雌激素的去除效果如图3所示。C厂对雌激素的去除率比其他3个污水处理厂的低，特别是17α-E2，17β-E2和EE2，平均去除率仅为50%左右，低于其他二级工艺污水厂的去除效果，这可能与C厂进水中雌激素质量浓度较高有关；且与国内外类似的“厌氧-氧化沟”工艺相比，C厂对雌激素的去除率亦低于平均去除率90%~99%，这是由于C厂的污泥龄(SRT)相对较短^[9]，同时，可能与采样时C厂的运行状态不稳定有关，需要长期采样分析数据客观评价C厂对雌激素的综合去除效果。

图3  不同污水厂对雌激素的去除率

Fig. 3  Removal rate of estrogens in different WWTPs

除了C厂外，污水厂对E1，E3和EE2均具有较好的去除效果，其中E1平均去除率达95.0%~97.3%，EE2的去除率为88.1%~92.3%，均高于文献报道^[10]。可见：提标改造过程中增设的三级处理工艺对雌激素的去除起到了促进作用；4个污水厂对17β-E2的平均去除率为53.1%~63.9%，普遍低于文献报道的结果，这可能与污水中络合态17β-E2 的解析有关^[10]。

2.2.2  不同处理工艺段对甾体雌激素去除作用

5种雌激素在4个污水处理厂不同工艺段的去除效果如图4所示。一级处理工艺段(沉砂、沉淀等工艺)对各雌激素的平均去除率为0~32.2%，略高于文献结果^[11]。在B厂的一级处理工艺段(旋流沉砂池)中，E1和E3平均去除率分别为31.4%和32.2%，明显比A厂和C厂(曝气沉砂池)的高，这可能与一级处理工艺段中沉砂池的池型有关；D厂的一级处理工艺段(水解沉淀池)对雌激素的去除效果总体比其他污水厂的好，5种雌激素的平均去除率均接近20%，这是由于甾体雌激素的lgK_ow较高，容易吸附在有机固体表面，随悬浮物的沉淀而被去除^[12]。

图4  不同处理工艺段对雌激素的去除率

Fig. 4  Removal rate of estrogens in different treatment processes

二级处理工艺段(生物处理)对雌激素具有较好的处理效果。活性污泥系统(A，B和C厂)对雌激素的去率明显比生物膜系统(D厂)的高，这与文献报道的结论一致^[13]，这可能是由于活性污泥系统的水力停留时间(HRT)和污泥龄(SRT)显著比生物膜法的高(表1)所致^[14]。VADER等^[15-16]研究表明：好氧微生物对大部分雌激素具有较好的降解效果，亚硝化单胞菌、青枯菌落、木醇糖无色菌、小型红球菌属及红球菌属等能够降E1和E3等解天然雌激素^[17]；另外，吸附也是生物去除雌激素的一个重要途径^[18]。本研究中，除了17β-E2的去除率较低外，A，B和C厂的生物处理系统对雌激素的去除率均超过85%；D厂的生物处理系统对雌激素的总体去除效果较差，去除率为28.2%~34.6%，低于国内外同类工艺，这可能与D厂的运行参数设置有关，可通过延长HRT和SRT来提高雌激素的去除率^[19]。A，B，C和D 4座污水厂的三级处理工艺主要针对SS，TP和COD等指标而设置，该工艺段对雌激素的去除效果不佳，绝大部分采样点中雌激素的去除率低于10%；且部分采样点中去除率出现了负值(图4(a))，这可能与络合态雌激素解析及混凝沉淀过程中雌激素的释放有关^[4]；D厂生物滤池出水中的细小生物膜对混凝过程中起到了助凝及共沉淀作用，因而其对雌激素的去除率明显比其他污水厂的高(图4(d))，其中，EE2的去除率达到79.6%。

2.3  污水厂出水及剩余污泥中甾体雌激素的残留特征

4个污水处理厂的出水及剩余污泥中雌激素的质量浓度如表2所示。含深度处理工艺的4个污水处理厂均不能实现对甾体雌激素的彻底去除，出水中17β-E2的质量浓度达38.9~192.9 ng/L，其他各雌激素的质量浓度为0~54.6 ng/L。MES等^[20]认为：在污水生物处理过程中，32%~35%的E1和17β-E2通过吸附作用进入固相，导致剩余污泥中含有较高质量浓度的雌激素；本研究采样的4个污水厂的剩余污泥中，除了部分污水厂未检出EE2和17α-E2外，其他各污泥样品中雌激素的质量分数为8.4~206.9 ng/g。在污水厂尾水排放及剩余污泥处置过程中，特别是污水灌溉及污泥农用过程中，应充分考虑甾体雌激素可能带来的生态环境问题。

表2  污水厂出水及剩余污泥中雌激素质量浓度分布

Table 2  Distribution of estrogens in effluent and discharged sludge of sewage treatment plants

3  结论

1) 4个污水处理厂的进水中均检出甾体雌激素，雌激素质量浓度与中国大中型城市污水厂进水中质量浓度相近，但高于国外污水厂进水中的质量浓度。

2) 含深度处理工艺段的污水处理系统对E1，E3和EE2的去除效果优于传统的污水处理工艺的去除效果。污水处理系统中，生物处理工艺段对甾体雌激素的去除占主导地位，且活性污泥系统对雌激素的去除率比生物膜系统的高。一级预处理和深度处理工艺段对甾体雌激素的去除效果不佳，平均去除率为10%~20%。

3) 含深度处理工艺的污水处理厂不能彻底去除污水中的甾体雌激素，污水中部分雌激素通过吸附、沉淀等途径转移进入污泥相，导致污水厂尾水及剩余污泥中残留较高质量浓度雌激素；在污水厂尾水排放及剩余污泥处置过程中，应充分关注甾体雌激素可能带来的生态环境问题。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2016-04-10；修回日期：2016-06-08

基金项目(Foundation item)：上海市自然科学基金资助项目(12ZR1440900)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20120071120033)(Project (12ZR1440900) supported by the Natural Science Foundation of Shanghai City; Project (20120071120033) supported by the Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China)

通信作者：黄德英，工程师，从事仪器分析检测研究；E-mail：huangdeying@fudan.edu.cn