污水廠污水和污泥中的OPFRs是目前各種環(huán)境的重要來(lái)源， OPFRs可以隨著污水直接進(jìn)入水生環(huán)境, 輸出的剩余污泥在農(nóng)業(yè)中用作肥料, 通過(guò)水流的滲透（Osmosis)和揮發(fā)OPFRs進(jìn)入環(huán)境, 造成二次污染.隨著我國(guó)污水處理量的逐年增加, 排放量也逐年增加.目前, 國(guó)外關(guān)于OPFRs在污水處理廠中的研究已有一些報(bào)道, 國(guó)內(nèi)報(bào)道較少.國(guó)外研究報(bào)道在污水廠的進(jìn)水與出水中檢測(cè)出多種OPFRs的存在, 其中磷酸三丁氧酯、磷酸三酯、磷酸三酯和磷酸三正丁酯是各研究報(bào)道中濃度水平和檢出率較高的化合物.在我國(guó)河南18個(gè)城市的24個(gè)污水處理廠中OPFRs檢出率>90%. A2/O工藝作為活性污泥法的一種, 具有很好地脫氮除磷的效果, 在城市中被廣泛使用, 但是活性污泥法很難去除污水處理廠中的OPFRs, OPFRs主要累積在污泥中, OPFRs在污水與污泥中的分配主要受自身辛醇水分配系數(shù)影響, 因此研究其在兩相中的污染濃度和分布特征具有重要意義.蘇州市區(qū)大部分污水處理廠均采用活性污泥法, 其中A2/O工藝為主要處理工藝, 市區(qū)僅有一家氧化溝工藝.本文通過(guò)研究A2/O與氧化溝兩種代表性工藝, 調(diào)查研究污水廠中OPFRs的含量、化合物模式、以及去除效率.對(duì)于蘇州市污水廠中OPFRs還未曾有研究報(bào)道, 并且蘇州是長(zhǎng)江三角洲重要的中心城市之一, 由于目前有機(jī)磷阻燃劑的污染比較嚴(yán)重, 而污水處理廠是其中重要的污染來(lái)源, 因此研究在蘇州市污水廠出水與剩余污泥中的OPFRs污染濃度與分布特征, 對(duì)于控制污水處理廠中OPFRs造成的環(huán)境污染以及進(jìn)一步消除具有重要意義.
1 材料與方法1.1 儀器與試劑
SECTION TQ三重四級(jí)桿氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀; 12位SPE固相萃取裝置; LABCONCO真空冷凍干燥機(jī); 流動(dòng)注射分析儀; 500 mg/6 mL HLB小柱, 500 mg/6 mL Florisil柱, Dionex ASE350; WB-SS 1 000 mL不銹鋼(不銹耐酸鋼)定深采水器. 10種OPFRs標(biāo)準(zhǔn)品：磷酸三乙酯、磷酸三酯、磷酸三苯酯購(gòu)自東京化成工業(yè)株式會(huì)社, 磷酸三丁酯、磷酸三酯購(gòu)自阿拉丁, 磷酸三異丁酯購(gòu)自FluoroChem, 磷酸三酯、磷酸三酯購(gòu)自Dr.Ehrenstorfer, 氘代磷酸三丁酯為回收率指示物、PCB-141為內(nèi)標(biāo).
1.2 樣品采集
采樣地點(diǎn)分別為蘇州市市區(qū)、吳中區(qū)、吳江區(qū)、高新區(qū)、工業(yè)園區(qū)以及相城區(qū)的8家污水處理廠, 除XQ采用氧化溝工藝外, 其余均采用A2/O工藝.采集進(jìn)水、二沉池出水、污水廠出水、生物池污泥以及脫水剩余污泥.水樣通過(guò)不銹鋼定深采水器采集, 在停留時(shí)間內(nèi)采集混合樣, 一天三次混合, 間隔3 h.剩余污泥直接在污泥離心脫水泵房脫水板上鏟取.將采集的水樣經(jīng)布氏漏斗過(guò)濾, 去除大顆粒雜質(zhì), 再經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾去除懸浮顆粒物, 于-20℃冰柜保存; 生物池污泥經(jīng)布氏漏斗過(guò)濾, 將濾紙上的污泥于-20℃冰柜保存; 過(guò)濾后的冷凍泥樣以及剩余污泥經(jīng)冷凍干燥48 h后, 研磨后過(guò)60目不銹鋼篩, 由錫箔紙包裹避光低溫保存.
圖 1
圖 1 污水廠分布示意
表 1 樣品描述
圖 2
圖 2 工藝流程采樣點(diǎn)分布示意
1.3 樣品前處理1.3.1 水樣
依次用5 mL甲醇、5 mL超純水活化HLB柱, 取500 mL水樣上樣, 水樣過(guò)柱流速為5 mL?min-
1. 3 mL超純水清洗管壁, 柱子氮吹10 min, 10 mL乙酸乙酯(ethyl acetate)進(jìn)行洗脫, 洗脫液再經(jīng)過(guò)無(wú)水硫酸（化學(xué)式：H2SO4）鈉柱除水.將洗脫液氮吹近干, 用0.5 mL正己烷回溶, 加50 ng PCB-141, 待GC-MS檢測(cè).
1.3.2 泥樣
準(zhǔn)確稱取1.0 g泥樣, 萃取劑為正己烷和丙酮, 萃取條件：溫度（temperature)110℃, 壓力1 500 psi, 4個(gè)循環(huán), 每個(gè)循壞5 min, 沖洗體積為80%, 沖洗時(shí)間為120 s.收集萃取液, 氮吹至2 mL轉(zhuǎn)移至離心管中氮吹近干.依次用5 mL甲醇、5 mL正己烷活化Florisil柱, 3 mL正己烷清洗管壁, 柱子氮吹10 min, 10 mL乙酸乙酯進(jìn)行洗脫.將洗脫液氮吹盡干, 用0.5 mL正己烷回溶, 加50 ng PCB-141, 待GC-MS檢測(cè).
1.4 色譜質(zhì)譜條件1.4.1 色譜條件
DB-5MS毛細(xì)管柱; 載氣為高純氦氣, 恒流模式, 柱流量為1.0 mL?min-1, 不分流, 進(jìn)樣量1 μL, 進(jìn)樣口溫度280℃; 升溫程序：初始溫度80℃, 以20℃?min-1升至200℃, 以5℃?min-1升至215℃, 以30℃?min-1升至260℃, 以3℃?min-1升至270℃.
1.4.2 質(zhì)譜條件
離子源溫度280℃, 傳輸線溫度280℃, EI源; 選擇反應(yīng)監(jiān)測(cè)模式, 碰撞器為高純氦氣; 碰撞壓力2.0 mTorr.
表 2 10種OPFRs的質(zhì)譜條件和化學(xué)性質(zhì)1)
1.5 質(zhì)量保證與質(zhì)量控制
實(shí)驗(yàn)用所有玻璃器皿經(jīng)稀甲醇, 去離子水依次沖洗干凈, 烘干后再于300℃的馬弗爐中灼燒12 h.使用前所有玻璃器皿再分別用丙酮蕩洗3次.在整個(gè)前處理過(guò)程(guò chéng)中盡量減少與空氣的接觸, 減少來(lái)自室內(nèi)環(huán)境的污染.實(shí)驗(yàn)所用0.45 μm濾膜對(duì)OPFRs的吸附小于8%, 可能造成污水中濃度變低, 但在可接受范圍之內(nèi).
在分析過(guò)程(guò chéng)中, 進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量表征與質(zhì)量控制措施, 包括方法空白、空白加標(biāo)、空白加標(biāo)平行樣、基質(zhì)加標(biāo)、基質(zhì)加標(biāo)平行樣, 平行樣數(shù)量為3個(gè); 在實(shí)際樣品分析時(shí), 每批樣品設(shè)置一個(gè)流程空白, 并在預(yù)處理前向所有樣品加入回收率指示物標(biāo)樣TBP-D27, 用于監(jiān)控整個(gè)操作過(guò)程的回收率, 數(shù)據(jù)未進(jìn)行回收率校正.標(biāo)準(zhǔn)曲線與實(shí)際樣品中均加入內(nèi)標(biāo)物PCB-141, 用于消除儀器的不穩(wěn)定性.
10種OPFRs目標(biāo)物, TBP-D27以及PCB-141的保留時(shí)間, 定性定量離子以及碰撞能見(jiàn)表 2.采用7點(diǎn)校正曲線（Curve）進(jìn)行定量, 標(biāo)準(zhǔn)曲線的濃度范圍為1~500 μg?L-1, 回歸方程呈良好線性關(guān)系.以3倍信噪比為定量檢出限, 10種OPFRs的LOD為0.15~3.691 μg?L-1.
水樣與泥樣空白加標(biāo)的分析結(jié)果見(jiàn)表 3, 對(duì)于TiB
P、TB
P、TCE
P、TCP
P、TDCP
P、TBE
P、TPhP, 方法取得了良好的回收率以及重復(fù)性.但對(duì)于TE
P、TPrP以及TEHP方法回收率較差, TEP和TPrP兩者的lgKow分別為0.8和1.87, 易溶于水, 易揮發(fā), 可能（maybe)在實(shí)驗(yàn)中損失較多。膜生物反應(yīng)器在污水處理，水資源再利用領(lǐng)域，MBR又稱膜生物反應(yīng)器（Membrane Bio-Reactor ）,是一種由膜分離單元與生物處理單元相結(jié)合的新型水處理技術(shù)。中空纖維膜紡絲機(jī)外形像纖維狀，具有自支撐作用的膜。它是非對(duì)稱膜的一種，其致密層可位于纖維的外表面／如反滲透膜，也可位于纖維的內(nèi)表面(如微濾膜和超濾膜)。對(duì)氣體分離膜來(lái)說(shuō)，致密層位于內(nèi)表面或外表面均可。膜生物反應(yīng)器膜分離技術(shù)與生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合之新型態(tài)廢水處理系統(tǒng)。以膜組件取代傳統(tǒng)生物處理技術(shù)末端二沉池，在生物反應(yīng)器中保持高活性污泥濃度，提高生物處理有機(jī)負(fù)荷，從而減少污水處理設(shè)施占地面積，并通過(guò)保持低污泥負(fù)荷減少剩余污泥量。主要利用沉浸于好氧生物池內(nèi)之膜分離設(shè)備截留槽內(nèi)的活性污泥與大分子有機(jī)物。膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)活性污泥（MLSS）濃度可提升至8000~10,000mg/L，甚至更高；污泥齡(SRT)可延長(zhǎng)至30天以上。測(cè)定灰塵中的TEP回收率則最高只有31%, 文獻(xiàn)[30]測(cè)定東江表層沉積物中的TEP回收率為20%. TEHP的lgKow為9.49, 極性弱, 難溶于水, 并不易揮發(fā), 可能粘在玻璃器皿壁上損失.因此, TE
P、TPrP和TEHP這3種化合物在后續(xù)計(jì)算中, 未考慮.
表 3 目標(biāo)物的檢出限, 基質(zhì)加標(biāo)的回收率及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差1)
1.6 OPFRs排放量計(jì)算公式
通過(guò)污水中OPFRs的排放[Q1, g?d-1]量見(jiàn)公式.
式中, W指污水廠日處理量; c指污水廠出水中∑OPFRs含量; 剩余污泥中OPFRs的排放量[Q2, kg?d-1]見(jiàn)公式.
式中, 根據(jù)報(bào)道每萬(wàn)噸污水經(jīng)處理后產(chǎn)泥量一般約為10~20 t, 當(dāng)污泥產(chǎn)量為日處理量的0.1%時(shí), δ=0.01;當(dāng)污泥產(chǎn)量為日處理量的0.2%時(shí), δ=0.02; C指污水廠剩余污泥中∑OPFRs含量.
2 結(jié)果與討論2.1 OPFRs的濃度水平與組成2.1.1 進(jìn)水
在XQ中TiBP未檢出, 在CD中TBEP和TPhP未檢出, 其余均被檢出.計(jì)算得到OPFRs總量濃度范圍為0.74~222.65 μg?L-1, 均值為65.56 μg?L-1[圖 3]. H
Y、Y
D、GD的進(jìn)水中OPFRs含量較高, 其中GD最高. HY位于蘇州市工業(yè)園區(qū), YD位于蘇州市吳江經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū), GD為吳中區(qū)處理規(guī)模最大的污水廠并且主要接受周圍地區(qū)的工業(yè)廢水, 三者周圍地區(qū)有較多塑料廠、電子廠、服裝廠、金屬制品廠以及建材廠, 這些類型工廠的廢水中含有較多OPFRs, 隨著排水管道進(jìn)入污水廠, 是導(dǎo)致其進(jìn)水TP中OPFRs含量較高的原因.氯代類以及芳香類的OPFRs主要作為塑料制品、紡織物、電子設(shè)備以及建筑、家裝材料的阻燃添加劑, 所以這些類型工廠的廢水中含有較多OPFRs.其他污水處理廠進(jìn)水類型均為生活廢水：工業(yè)廢水, 且附近沒(méi)有集中的工廠, 所以O(shè)PFRs含量較低.
圖 3
進(jìn)水, 二沉池出水, 污水廠出水圖 3 污水中7種OPFRs組成以及濃度
TCE
P、TCP
P、TDCPP以及TBEP為進(jìn)水中主要成分, 其中TDCPP含量最高, 最大達(dá)到218.81 μg?L-1, 平均濃度為56.09 μg?L-1, 可見(jiàn)污水中的TDCPP在7種OPFRs中污染最嚴(yán)重, 這可能與氯代類OPFRs存在相對(duì)較大的需求量有關(guān).由于本方法對(duì)TEP以及TEHP較低的回收率, 可能低估了兩者的污染水平.
2.1.2 二沉池出水
計(jì)算得到OPFRs在二沉池出水中總量濃度范圍為0.48~178.14 μg?L-1, 均值為43.14 μg?L-
1. TCE
P、TCP
P、TDCPP為二沉池出水中主要成分, 組成與進(jìn)水相似.氧化溝工藝處理后的氧化溝出水中OPFRs的含量為0.92 μg?L-1[圖 3 ], 去除率為89.3%, 在氧化溝基本得到去除. CX和LJ經(jīng)過(guò)A2/O生物池處理后出水與進(jìn)水中OPFRs比較無(wú)顯著性差異; H
Y、Y
D、FX以及GD在二沉池出水中OPFRs濃度降低（reduce), 去除率分別為98.2%、99.6%、81.1%、20.0%, 其中GD去除率較低, 可能是因?yàn)镚D進(jìn)水中OPFRs總量基數(shù)較大, 其他3個(gè)污水廠中OPFRs基本得到去除; CD二沉池出水中OPFRs濃度高于進(jìn)水, 生物池是A2/O工藝的核心, 主要通過(guò)活性污泥的降解和吸附作用去除污水中的有機(jī)污染物, 吸附到污泥上的有機(jī)污染物可能隨污泥回流, 再次進(jìn)入污水而解吸出部分有機(jī)污染物, 導(dǎo)致二沉池出水濃度升高.
2.1.3 出水
計(jì)算得到在污水廠出水中總量濃度范圍為0.46~175.41 μg?L-1, 均值為22.99 μg?L-1[圖 3]. Kang測(cè)得的污水處理廠出水中14種OPFRs, 濃度為ng?L-1, 澳大利亞一家污水處理廠出水中測(cè)得的濃度為34~7 777 ng?L-1, 均低于本研究測(cè)得出水中OPFRs的濃度水平. TCE
P、TCP
P、TDCPP為污水廠出水中主要成分, 組成與二沉池出水以及進(jìn)水相似, 這3種OPFRs的lgKow值均小于4, 所以傾向于溶解在水中; X
Q、C
D、H
Y、GD出水中未檢出TBEP.除了CD在出水中濃度明顯降低, 其他污水廠出水中OPFRs濃度較二沉池出水沒(méi)有明顯降低, 在生物池中基本去除.
通過(guò)SPSS軟件相關(guān)性分析得到, 除了TBP的去除率與停留時(shí)間為負(fù)相關(guān), 其他OPFRs的去除率與停留時(shí)間無(wú)關(guān), 考慮到TBP在進(jìn)水與出水中含量均很低, 因此關(guān)于去除率的計(jì)算, 直接用出水濃度與進(jìn)水濃度進(jìn)行計(jì)算.氧化溝工藝對(duì)OPFRs總量平均去除率為92%, 有很高的去除率, 除了TPhP去除率為34%以外, 其他達(dá)到53%~100%, 平均去除率為75%. A2/O工藝對(duì)OPFRs總量去除率為11%~99%, 平均為57%, 差異性較大.可能（maybe)是因?yàn)檠趸瘻瞎に嚲哂休^低的有機(jī)負(fù)荷和較長(zhǎng)的污泥齡, 因此相比A2/O工藝, 氧化溝工藝能保證較好的處理效果. A2/O工藝對(duì)TBE
P、TBP有較高的去除率, 氯代類的OPFRs TCE
P、TCP
P、以及TDCPP去除率很低, 這與瑞士的污水處理廠研究結(jié)果一致, 因?yàn)槁却惖腛PFRs由于自身結(jié)構(gòu), 受到位阻效應(yīng)的影響, 使其在污水處理過(guò)程很難被降解去除, 隨著出水排入河道內(nèi), OPFRs在污水處理廠去除效率與其化學(xué)穩(wěn)定性(The stability of)有關(guān).
表 4 氧化溝與A2/O工藝OPFRs去除率比較1)/%
2.2 污泥中OPFRs的濃度水平與分布特征
生物池污泥中OPFRs檢出率不同, TBEP和TCEP在生物池活性污泥中的檢出率為100%. TBEP隨著生物池處理, 濃度逐漸降低; TCEP濃度沒(méi)有明顯變化. TCPP和TPhP在厭氧段活性污泥中均未檢出, TDCPP僅在兩個(gè)污水廠生物池中檢出, 其余均未檢出. TBP在缺氧段僅在一家污水處理廠中檢出, 濃度為106.01 μg?g-
1. TDCPP隨著處理(chǔ lǐ)過(guò)程(guò chéng), 濃度逐漸升高, 檢出率由25%升至71%. TPhP只在2個(gè)污水處理廠中微量檢出, 濃度小于0.5 μg?g-1.
在氧化溝工藝剩余污泥中除了TPhP以外, 其余OPFRs均被檢出, 剩余污泥中OPFRs總含量為596.24 μg?g-1, 平均含量為85.18 μg?g-1 .在7個(gè)A2/O工藝的污水處理廠的剩余污泥中TiBP檢出率為0%, TCPP檢出率為43%, A2/O工藝剩余污泥中TBEP和TGOOGLE PRP的檢出率為100%. A2/O工藝剩余污泥中OPFRs總含量為83~358 μg?g-
1. Cristale等在西班牙5所污水處理廠剩余污泥中測(cè)得的10種OPFR含量為35.3~9 980 ng?g-1, Pang等[22]在河南省的18個(gè)城市的24污水處理廠剩余污泥中測(cè)得的6種OPFRs的含量為38.6~508 μg?kg-1, 均低于本研究測(cè)得的剩余污泥中OPFRs的濃度水平. HY剩余污泥中主要成分為TBEP, 可能是因?yàn)镠Y進(jìn)水中TBEP濃度較高. X
Q、C
D、Y
D、F
X、G
D、C
X、LJ剩余污泥中主要成分為TBP, 可能是因?yàn)門BP的相對(duì)分子質(zhì)量較大, 且lgKow值大于4, 所以更傾向于吸附在污泥上.
圖 4
圖 4 剩余污泥中OPFRs組成以及總量
2.3 OPFRs的排放量
OPFRs可以隨著污水廠出水直接進(jìn)入河道, 輸出的剩余污泥在農(nóng)業(yè)中用作肥料, 又是潛在的二次污染來(lái)源.在自然水體與土壤中均檢測(cè)出OPFRs, 在我國(guó)北京的地表水中檢測(cè)出了14種OPFRs, 總含量為3.24~10 945 ng?L-1, 平均含量為954 ng?L-1; 在匯入渤海的40條河流里檢測(cè)到14種OPFRs總含量為9.6~1 549 ng?L-1, 平均為300 ng?L-1; 太湖水體中OPFRs的測(cè)得總含量為375~3 079 ng?L-1, 太湖底泥中OPFRs總含量水平為42~680 μg?kg-1, 中值為188 μg?kg-1.因此, 為評(píng)估污水廠對(duì)生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn), 估算污水廠污水和污泥排入環(huán)境的OPFRs排放量尤為重要.計(jì)算得到污水廠通過(guò)出水OPFRs的日排放量范圍為36.69~2 177.12 g?d-1.通過(guò)污泥OPFRs的日排放量最小為3.57~7.15 kg?d-1, 最大為47.70~95.40 kg?d-1.
表 5 污水廠日處理量、OPFRs日排放量以及輸出途徑
3 結(jié)論
TCE
P、TCP
P、TDCPP為污水廠進(jìn)水與出水中主要成分, 這3種OPFRs的lgKow值均小于4, 所以傾向于溶解在水中, 氯代類的OPFRs去除效果差. TBP的相對(duì)分子質(zhì)量較大, 且lgKow值大于4, 所以更傾向于吸附在污泥上.
本研究測(cè)得的OPFRs濃度高于其他國(guó)內(nèi)外研究, 為評(píng)估污水廠對(duì)生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn), 因此估算污水廠污水和污泥排入環(huán)境的OPFRs排放量尤為重要.
采取氧化溝工藝的XQ污水廠對(duì)OPFRs總量平均去除率為92%, 對(duì)OPFRs有很好地去除效率(efficiency); 采取A2/O工藝的污水廠OPFRs的總量平均去除率為57%, 去除率范圍在11~99%, 差異性較大. OPFRs在生物池以及氧化溝處理(chǔ lǐ)后基本去除, OPFRs在污水處理廠中的去除效率與其化學(xué)穩(wěn)定性有關(guān).
