農村畜禽養殖污水處理設備

　3 畜禽養殖廢水中重金屬對抗生素抗性基因的影響 

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

發現豬糞中抗銅大腸桿菌與飼料中硫酸銅添加量正相關，分離得到的239株抗銅細菌中攜帶抗銅基因pcoA、pcoC、pcoD，攜帶抗銅基因的細菌也同時攜帶*和四環素的抗性基因(strA、strB、tetB).而研究了豬糞中抗鋅細菌的分布規律，結果表明豬糞中普遍存在抗鋅細菌，抗鋅大腸桿菌的檢出率與飼料中氧化鋅的添加成正相關關系;抗鋅菌株主要攜帶抗鋅基因zntA.

　　畜禽養殖環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阻止抗性基因的傳播，養殖場重金屬使用可能會通過協同選擇增加抗生素抗性基因的傳播.研究發現磺胺類sulA與重金屬Hg、Cu、Zn具有顯著相關關系.研究發現豬場廢水中高濃度的Cu和Zn顯著提高了耐β內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同抗性的質粒pMC2

　　指出重金屬和抗生素抗性的協同選擇機制主要是因為重金屬和抗生素的抗性機制的耦合作用，包括交叉抗(crossresistance)和協同抗(coresistance).叉抗性是某種抗性基因編碼的酶或蛋白具有提高細胞耐受多種抑菌物質(如抗生素或重金屬)的能力，

如多重藥劑外排泵(multi drug efflux pumps)，其可以將毒性物質迅速排出細胞外.而協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移動基因元件上.如豬糞中分離的質粒pMC2，

攜帶大環內脂、四環素等抗生素抗性基因和汞、鉻等重金屬抗性基因，具有很強的移動和結合能力總結了畜禽糞便中重金屬引起抗生素協同抗性的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殖廢水重金屬對抗生素抗性基因協同選擇的數據.另外，養殖廢水復合污染的特性也增加了抗性基因研究的難度.4 畜禽養殖廢水處理工藝對抗性基因的消減 (Removal of antibiotic resistance genes during process of animal wastewater treatment) 4.1 常規生物處理工藝

　　厭氧消化是畜禽養殖場采用的廢水處理工藝.指出厭氧過程抑制細菌代謝，對抗性基因傳播具有抑制作用.指出ARGs去除與厭氧菌群結構具有相關性，主要表現在抗性基因的宿主菌群在厭氧環境中的變化.

　　針對厭氧消化處理養殖廢水抗性基因的變化，現場調研較多，參數優化的研究較少，針對豬場廢水的研究較多，其他種類的養殖廢水研究較少，不同生物處理工藝抗性基因賦存特征詳見表 2.研究了不同規模豬場的廢水生物處理系統抗性基因去除效果，

結果表明厭氧消化和好氧生物處理對tetA、tetW、sul1、sul2、blaTEM抗性基因平均去除率在33.3%~97.56%.考察了環境溫度下厭氧消化在不同季節的處理效果，夏季ermB、ermF、ermX的去除效果優于冬季，夏季厭氧消化出水較豬場原廢水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.針對溫度對厭氧消化抗性基因消減的影響，)指出高溫厭氧消化對四環素類抗性基因tetA、tetO、tetW、tetX有顯著去除，它們的去除符合一級反應動力學模型，而tetL只存在于革蘭氏陰性菌，厭氧處理對其去除效果不明顯，

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

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表2 豬場廢水生物處理過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殖場廣泛使用的廢水處理工藝.Joy等.調查了氧化塘儲存豬場廢水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反應動力學模型.將氧化塘處理豬場廢水后抗性基因的去除趨勢歸為兩類，一類是相對豐度大幅降低甚至低于檢測限，

包括tetB、tetL;另一類為經處理后豐度不變甚至有所提高，包括tetG、tetM、tetO和tetX，可能因為這類基因常位于轉移原件上，在廢水中發生了基因的水平轉移.鄭加玉等采用水平流人工濕地處理豬場廢水，結果表明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律，發現在HRT為30 h時豬場廢水抗性基因去除效果較好.

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

　　膜分離技術近年已在畜禽養殖廢水處理領域得到了一定的研究與應用，并日益得到重視.例如，Padmasiri等采用厭氧MBR處理豬場廢水，有機負荷為1.0 kg · m-3 · d-1高于其他厭氧消化工藝采用好氧MBR處理豬場厭氧消化液TN負荷0.11 kg · m-3 · d-1較高.

然而針對MBR處理畜禽養殖廢水抗性基因去除規律的研究較少.Du等調研了污水處理廠采用A2OMBR工藝處理生活和工業混合廢水對四環素類和磺胺類抗性基因的去除效果，結果表明MBR工藝對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.

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

盡管存在較高的水平轉移效率，但由于微濾膜(PVDF，0.22 μm)的截留作用，出水檢測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，另一方面導致反應器內污泥濃度高，可能使抗性基因在反應器內積累，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，經過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)處理畜禽養殖廢水時對耐藥菌的殺滅效果.研究發現，加氯量和臭氧用量分別為30 mg · L-1和100 mg · L-1時，豬場氧化塘廢水中細菌總數分別去除了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加氯消毒不敏感，而四環素耐藥菌對加氯消毒敏感，臭氧對耐藥菌的影響并未給出相應結果.加氯對抗*腸球菌具有較好的滅殺作用.而GomezAlvarez等研

究加氯消毒對飲用水中抗性基因的影響，宏基因組數據表明加氯消毒后飲用水中仍含有編碼β內酰胺酶(bla)、外排泵等抗生素抗性基因，表明耐受液氯氧化性的細菌同時攜帶抗生素抗性基因.關于紫外和臭氧對畜禽養殖廢水抗性基因的去除研究較為缺乏,研

究了紫外滅菌對市政排水抗性基因消減的影響，結果表明紫外強度為249.5 mJ · cm-2時對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等采用模擬實驗研究了臭氧對耐藥性埃希氏大腸桿菌(Eschericia coli， E. coli)的去除，結果表明臭氧劑量為3 mg · L-1時耐藥性E. coli去除了1 log.

聚合氯化鋁(PAC)是一種廣泛使用的無機絮凝劑,印染經生化處理后色度往往難以達標,采用PAC 進行深度脫色處理效果較好, 但其存在用量大,水中殘留鋁對環境有害,形成的絮體結構松散,沉降性能欠佳,水力沖擊下容易返渾等缺點〔1〕?

目前改性硅藻土也常用于染料廢水的脫色〔2〕,硅藻土廉價無毒,適應性強,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?采用改性硅藻土復配聚合氯化鋁絮凝劑處理染料溶液, 可以獲得結構密實的絮體,提高脫色效率,改善沉降性能,減少PAC用量從而減輕Al3+溶出對環境造成的危害, 由于硅藻土價格低廉,同時也可降低水處理成本?

1 實驗部分

　　1.1 材料與儀器

　　材料:硅藻土,化學純,質量分數(以Si 計)為88%;聚合氯化鋁,質量分數(以Al2O3計)為10%?以上材料均來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,上海精密科學儀器有限公司;MY3000-6 智能型混凝試驗攪拌儀,潛江梅宇儀器有限公司;pHS-3C 型酸度計,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量比混合后反復研磨,即得復合絮凝劑?

　　1.4 脫色率測定

　　活性艷紅濃度采用分光光度法在540 nm 波長處測定?

　　脫色率=(C0-C1)/C0×*

　　式中:

　　C0———活性艷紅初始質量濃度,mg/L;

　　C1———處理后活性艷紅質量濃度,mg/L?

國內某大型煉油企業采用“ 兩級氣浮+A/O+MBR”的傳統工藝處理高酸重質原油加工過程產生的廢水,因該廢水具有高酸?高氮及難生物降解等特點, 處理出水如不經過進一步處理很難達到排放標準,更不可能達到回用標準,這是大多數煉油企業所面臨的問題?

　　臭氧的氧化能力很強, 其作用機理可分為直接反應和間接反應?通常,在酸性條件下(pH<4),以直接反應為主;在堿性條件下(pH>10),以間接反應為主?但其氧化特性決定了單一的臭氧氧化有一定的局限性?因為單一的臭氧氧化不能將有機物*分解為CO2和H2O,

同時難以達到較高的COD 去除效果?因此,近些年發展的臭氧氧化技術主要以聯合工藝為主〔1-2〕,其中一種是用各種催化方法強化臭氧單元的氧化能力,例如非均相催化臭氧氧化〔3-4〕等?筆者采用自主研發的催化劑和開發設計的催化氧化反應器對高酸重質原油的MBR 出水進行了處理,取得了良好的處理效果?