农村畜禽养殖污水处理设备

　3 畜禽养殖废水中重金属对抗生素抗性基因的影响 

　　畜禽养殖过程在饲料中添加铜、锌等重金属引起猪粪水中抗铜、抗锌细菌的增加，畜禽养殖废水存在抗生素与重金属复合污染特征.在重金属的选择压力下，畜禽养殖粪水中重金属抗性基因丰度较高.对猪饲料、肠道和粪便中抗铜细菌进行了分析鉴定，

发现猪粪中抗铜大肠杆菌与饲料中硫酸铜添加量正相关，分离得到的239株抗铜细菌中携带抗铜基因pcoA、pcoC、pcoD，携带抗铜基因的细菌也同时携带*和四环素的抗性基因(strA、strB、tetB).而研究了猪粪中抗锌细菌的分布规律，结果表明猪粪中普遍存在抗锌细菌，抗锌大肠杆菌的检出率与饲料中氧化锌的添加成正相关关系;抗锌菌株主要携带抗锌基因zntA.　　畜禽养殖环境重金属的污染不仅引起重金属耐受菌及抗铜、抗锌基因丰度的提高，可能存在重金属与抗生素的协同选择作用(coselection)，重金属的选择压力可能使抗生素抗性基因丰度维持在较高水平.欧盟国家已禁止抗生素饲料添加剂的使用，但减少抗生素使用并不会阻止抗性基因的传播，养殖场重金属使用可能会通过协同选择增加抗生素抗性基因的传播.研究发现磺胺类sulA与重金属Hg、Cu、Zn具有显著相关关系.研究发现猪场废水中高浓度的Cu和Zn显著提高了耐β内酰胺大肠杆菌的丰度.

 图1 猪粪分离的具有重金属与抗生素协同抗性的质粒pMC2

　　指出重金属和抗生素抗性的协同选择机制主要是因为重金属和抗生素的抗性机制的耦合作用，包括交叉抗(crossresistance)和协同抗(coresistance).叉抗性是某种抗性基因编码的酶或蛋白具有提高细胞耐受多种抑菌物质(如抗生素或重金属)的能力，

如多重药剂外排泵(multi drug efflux pumps)，其可以将毒性物质迅速排出细胞外.而协同抗性指的是具有两种或多种抗性功能的基因相互邻近并在一个移动基因元件上.如猪粪中分离的质粒pMC2，

携带大环内脂、四环素等抗生素抗性基因和汞、铬等重金属抗性基因，具有很强的移动和结合能力总结了畜禽粪便中重金属引起抗生素协同抗性的zui小浓度(Minimum coselective concentration，MCC)，Cu和Zn的MCC值分别为11.79和22.75 mg · kg-

1 DM，但作者也指出非常缺乏畜禽养殖废水重金属对抗生素抗性基因协同选择的数据.另外，养殖废水复合污染的特性也增加了抗性基因研究的难度.4 畜禽养殖废水处理工艺对抗性基因的消减 (Removal of antibiotic resistance genes during process of animal wastewater treatment) 4.1 常规生物处理工艺

　　厌氧消化是畜禽养殖场采用的废水处理工艺.指出厌氧过程抑制细菌代谢，对抗性基因传播具有抑制作用.指出ARGs去除与厌氧菌群结构具有相关性，主要表现在抗性基因的宿主菌群在厌氧环境中的变化.

　　针对厌氧消化处理养殖废水抗性基因的变化，现场调研较多，参数优化的研究较少，针对猪场废水的研究较多，其他种类的养殖废水研究较少，不同生物处理工艺抗性基因赋存特征详见表 2.研究了不同规模猪场的废水生物处理系统抗性基因去除效果，

结果表明厌氧消化和好氧生物处理对tetA、tetW、sul1、sul2、blaTEM抗性基因平均去除率在33.3%~97.56%.考察了环境温度下厌氧消化在不同季节的处理效果，夏季ermB、ermF、ermX的去除效果优于冬季，夏季厌氧消化出水较猪场原废水ermB、ermF、ermX和tetG平均降低1.2、0.8、0.7和1.1 log copies · mL-1，

表明温度是厌氧消化去除抗性基因的重要控制指标.针对温度对厌氧消化抗性基因消减的影响，)指出高温厌氧消化对四环素类抗性基因tetA、tetO、tetW、tetX有显著去除，它们的去除符合一级反应动力学模型，而tetL只存在于革兰氏阴性菌，厌氧处理对其去除效果不明显，

而在好氧高温处理(55 ℃)过程中tetL丰度表现出线性降低趋势.比较了高温和中温厌氧消化对牛粪中耐药菌的影响，结果表明高温可全部消灭多重耐药菌(抗*、*、*、*、*等)，而中温发酵只可以去除多重耐药菌1~2 log cfu · mL-1.

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表2 猪场废水生物处理过程中抗性基因的赋存特性

　　除厌氧消化工艺以外，氧化塘、人工湿地也是畜禽养殖场广泛使用的废水处理工艺.Joy等.调查了氧化塘储存猪场废水40 d抗性基因的变化，ermB和ermF的丰度分别降低了50%~60%和80%~90%，而tetX和tetQ丰度的消减符合一级反应动力学模型.将氧化塘处理猪场废水后抗性基因的去除趋势归为两类，一类是相对丰度大幅降低甚至低于检测限，

包括tetB、tetL;另一类为经处理后丰度不变甚至有所提高，包括tetG、tetM、tetO和tetX，可能因为这类基因常位于转移原件上，在废水中发生了基因的水平转移.郑加玉等采用水平流人工湿地处理猪场废水，结果表明tetW、tetM和tetO的浓度平均去除率分别为95.73%、92.21%和95.05%;可能由于土壤对抗性基因的吸附作用，湿地土壤中抗性基因的丰度有明显升高现象.Liu等模拟垂直流人工湿地中添加沸石研究抗性基因的消减规律，发现在HRT为30 h时猪场废水抗性基因去除效果较好.

　　4.2 膜生物反应器(Membrane bioreactor，MBR)工艺

　　膜分离技术近年已在畜禽养殖废水处理领域得到了一定的研究与应用，并日益得到重视.例如，Padmasiri等采用厌氧MBR处理猪场废水，有机负荷为1.0 kg · m-3 · d-1高于其他厌氧消化工艺采用好氧MBR处理猪场厌氧消化液TN负荷0.11 kg · m-3 · d-1较高.

然而针对MBR处理畜禽养殖废水抗性基因去除规律的研究较少.Du等调研了污水处理厂采用A2OMBR工艺处理生活和工业混合废水对四环素类和磺胺类抗性基因的去除效果，结果表明MBR工艺对tetG、tetW、tetX、sul1和intI1分别去除了2.20、2.90、1.71、2.15和2.07 log copies · mL-1，膜出水抗性基因丰度仍然较高(2.85~4.97 log copies · mL-1)，然而作者并未给出膜孔径等膜分离工艺参数.

　　同常规生物处理工艺相比，MBR的生物量高，可能存在较大的抗性基因水平转移风险.Yang等以RP4质粒作为水平转移研究对象，研究了MBR中抗性基因的水平转移效率，结果表明RP4在MBR中维持较高丰度104 copies/mg · biosolid，具有较高的水平转移效率(2.76×10-5/recipient)，而RP4在常规活性污泥法的水平转移效率约4×10-6 /recipient;

尽管存在较高的水平转移效率，但由于微滤膜(PVDF，0.22 μm)的截留作用，出水检测不到携带抗性基因的RP4.由于膜的截留，一方面可消减膜出水的抗性基因浓度，另一方面导致反应器内污泥浓度高，可能使抗性基因在反应器内积累，提高了污泥中抗性基因的水平传播.污泥是重要的抗性基因蓄积库，经过堆肥或厌氧消化处理后作为肥料土地利用，污泥的土地利用存在抗性基因的污染隐患.

　4.3 消毒工艺

　　已有研究考察了消毒工艺(包括紫外、臭氧、加氯)处理畜禽养殖废水时对耐药菌的杀灭效果.研究发现，加氯量和臭氧用量分别为30 mg · L-1和100 mg · L-1时，猪场氧化塘废水中细菌总数分别去除了2.2~3.4 log cfu · mL-1和3.3~3.9 log cfu · mL-1，然而林可酰胺、*、磺胺甲恶唑耐药菌对加氯消毒不敏感，而四环素耐药菌对加氯消毒敏感，臭氧对耐药菌的影响并未给出相应结果.加氯对抗*肠球菌具有较好的灭杀作用.而GomezAlvarez等研

究加氯消毒对饮用水中抗性基因的影响，宏基因组数据表明加氯消毒后饮用水中仍含有编码β内酰胺酶(bla)、外排泵等抗生素抗性基因，表明耐受液氯氧化性的细菌同时携带抗生素抗性基因.关于紫外和臭氧对畜禽养殖废水抗性基因的去除研究较为缺乏,研

究了紫外灭菌对市政排水抗性基因消减的影响，结果表明紫外强度为249.5 mJ · cm-2时对抗性基因消减效果可以，tetX和16S rRNA分别去除了0.58和0.60 log.Oh等采用模拟实验研究了臭氧对耐药性埃希氏大肠杆菌(Eschericia coli， E. coli)的去除，结果表明臭氧剂量为3 mg · L-1时耐药性E. coli去除了1 log.

聚合氯化铝(PAC)是一种广泛使用的无机絮凝剂,印染经生化处理后色度往往难以达标,采用PAC 进行深度脱色处理效果较好, 但其存在用量大,水中残留铝对环境有害,形成的絮体结构松散,沉降性能欠佳,水力冲击下容易返浑等缺点〔1〕?

目前改性硅藻土也常用于染料废水的脱色〔2〕,硅藻土廉价无毒,适应性强,但吸附性能与活性炭相比还有差距,且多呈粉体难以固液分离?采用改性硅藻土复配聚合氯化铝絮凝剂处理染料溶液, 可以获得结构密实的絮体,提高脱色效率,改善沉降性能,减少PAC用量从而减轻Al3+溶出对环境造成的危害, 由于硅藻土价格低廉,同时也可降低水处理成本?

1 实验部分

　　1.1 材料与仪器

　　材料:硅藻土,化学纯,质量分数(以Si 计)为88%;聚合氯化铝,质量分数(以Al2O3计)为10%?以上材料均来自常州友邦净水材料有限公司?商品活性艳红?

　　仪器:721 分光光度计,上海精密科学仪器有限公司;MY3000-6 智能型混凝试验搅拌仪,潜江梅宇仪器有限公司;pHS-3C 型酸度计,上海虹益仪器仪表有限公司?

　　1.2 硅藻土改性方法

　　将硅藻原土用0.1 mol/L 的稀HCl 溶液浸泡24 h,然后用去离子水冲洗?烘干,在450 ℃下焙烧1 h 至微呈粉红色,备用?

　　1.3 絮凝剂复配方法

　　将聚合氯化铝在85 ℃下烘0.5 h, 然后与改性硅藻土按照一定的质量比混合后反复研磨,即得复合絮凝剂?

　　1.4 脱色率测定

　　活性艳红浓度采用分光光度法在540 nm 波长处测定?

　　脱色率=(C0-C1)/C0×*

　　式中:

　　C0———活性艳红初始质量浓度,mg/L;

　　C1———处理后活性艳红质量浓度,mg/L?

国内某大型炼油企业采用“ 两级气浮+A/O+MBR”的传统工艺处理高酸重质原油加工过程产生的废水,因该废水具有高酸?高氮及难生物降解等特点, 处理出水如不经过进一步处理很难达到排放标准,更不可能达到回用标准,这是大多数炼油企业所面临的问题?

　　臭氧的氧化能力很强, 其作用机理可分为直接反应和间接反应?通常,在酸性条件下(pH<4),以直接反应为主;在碱性条件下(pH>10),以间接反应为主?但其氧化特性决定了单一的臭氧氧化有一定的局限性?因为单一的臭氧氧化不能将有机物*分解为CO2和H2O,

同时难以达到较高的COD 去除效果?因此,近些年发展的臭氧氧化技术主要以联合工艺为主〔1-2〕,其中一种是用各种催化方法强化臭氧单元的氧化能力,例如非均相催化臭氧氧化〔3-4〕等?笔者采用自主研发的催化剂和开发设计的催化氧化反应器对高酸重质原油的MBR 出水进行了处理,取得了良好的处理效果?