厌氧消化条件对污泥微量有机污染物生物转化和毒性的综合评估研究
污水处理厂的污泥中往往含有微量有机污染物（organic micropollutants, OMPs）。很多OMPs具有疏水性，通过吸收吸附作用进入污泥中；同时也有一些不能被生物转化的亲水性微量有机污染物进入污泥。微量有机污染物包括药物、化妆品、类固醇激素、工业化学品、农药等，其最终去向尚未被彻底查清。
污泥中的OMPs浓度取决于这些物质的物理化学特性和使用率，不同国家甚至不同地区污水厂的情况大不相同。总体来说，例如三氯生（Triclosan, TCS）和麝香 （musk fragrances）等疏水性物质被检测出来的浓度高达10000µg/kg，而亲水性物质被检测出来的浓度则相对低很多(10-100 µg/kg)，如双氯高灭酸(diclofenac, DCF)、甲氧苄啶 (trimethoprim, TMP)、布洛芬（ibuprofen -IBP)、萘普生(naproxen, NPX)、卡马西平 (carbamazepine, CBZ) 和磺胺甲恶唑(sulfamethoxazole, SMX) 。
水环境中的新型污染物（emerging contaminants）已经被纳入欧盟水框架指令（Water Framework Directive)的观察名单。但是，欧盟关于污水厂污泥土地利用的相关指令(Directive 86/278/EEC)却没有把大部分的OMPs考虑在内。目前只有7个欧盟国对本国的污泥OMPs浓度作出了规定。有报告指出，使用农用污泥的土壤导致OMPs的累积，以及其渗滤液通过降雨进入地下水，将对环境和人类健康构成风险。关于污泥的土地使用的政策框架将填补目前的管理空白，而污泥中的OMPs也将很快为污水厂管理人员关注的新热门话题。
厌氧消化是最广泛使用的污泥作稳定化处理工艺。尽管一些科研团队针对OMPs在厌氧消化污泥中的去向开展了研究，但研究结果并未得到太多结论性的东西。这些研究普遍认为除了对壬基苯酚和它们的乙氧基化物，温度的影响可以被忽略。厌氧消化对卡马西平有轻微作用，而磺胺甲恶唑、萘普生和甲氧苄啶则能被高度去除，但其他的一些OMPs的去除结果则有很大出入。而造成这些数据差别的原因依旧不清楚。
污泥进行土地利用之前需要对其特性进行检测，以及对OMPs设立排放标准，仅仅通过化学方法来测量原始污染物(parent pollutant)是不够的。实际上，从对生态环境和人们健康安全的角度来看，用生物鉴定的方法对包括残留的原始化学物和其转化后的产物以及其他未知物质进行检测是非常必要的。因为这些物质一旦进入环境，便能直接对生物的DNA产生释放毒性，诱变致癌的风险，或对人类和野生物种的内分泌系统产生影响。
可以说，化学分析和生物鉴定是相辅相成的，但后者目前在污泥中的应用依然非常有限，大部分的研究都是针对经堆肥后的污泥，而对厌氧消化污泥毒性作用的研究则非常少。在此大背景之下，由来自西班牙和意大利学者组成的研究团队使用原污泥，而不是通过添加OMPs的人工合成污泥，对中温厌氧消化(mesophilic anaerobic digestion, MAD)和高温厌氧消化(thermophilic anaerobic digestion, TAD) 的内分泌干扰作用和基因毒性的去除情况作分析对比，结合化学和生物方法对污泥OMPs进行综合评估。
研究团队选取了20个日常生活中常见的OMPs物质来进行分析。
研究使用的原污泥的浓度分析结果如下表。其中，LOQ是检测极限，Cw是液相的浓度，Cs是固相浓度，Ct是总浓度。第一阶段（Period I）的检测是在2014年春天(Days 71-77)，第二阶段（Period II）采样是在2014年秋天(Days 267-273)。该表只展示了15种OMPs的浓度情况，ADBI, ERY, DCF, OP和NP因为浓度低于检测极限所以无法获取数据。
下图为厌氧反应器的运行情况，数据显示反应器的运行是稳定的。
下图给出了15种OMPs在第一阶段（Period I）和第二阶段（Period II）两次采样期的浓度变化情况，其中Y轴为以对数刻度。
根据上图结果，研究团队把OMPs的生物转化情况分为四组。第一组是红色的是去除率低于20%的OMPs；第二组是黄褐色的中低档(去除率为25-50%)；第三组黄色的是去除率介于50-75%的物质；第四组绿色的是能被高度去除的物质。值得注意的是，污泥特性(如额外添加了OMPs与否)、污泥泥龄等因素都会影响实验数据的结果，不同研究中的数据也会有差异。
研究团队对中温和高温厌氧消化对内分泌干扰活性进行了测试。下图的结果显示，高温厌氧消化对内分泌干扰活性的去除效果远好于中温的条件。有趣的是，试验结果发现在中温条件下，内分泌干扰活性反而上升了，而高温则能明显地抑制其活性，并且在两个采样时间段的情况都是如此。研究团队的推测37°C和合适pH是有利于细菌激活内分泌干扰活性的。
研究团队对样品进行了Ames试验和Comet试验，前者是针对化合物致突变性的测试，而后者是一种检测单个细胞DNA损伤和修复的技术。Comet试验之所以取名为“彗星(Comet)”，是因为细胞DNA受损产生链断裂时，断裂的碎片会在凝胶电泳时会离开核DNA向阳极迁移形成一个尾状带，而没受损的DNA则保持球状，这样一来就形成了一个类似“彗星”的图像。DNA受损程度和彗星的尾巴长度呈正相关。
试验结果显示，在固相和液相样品中都没有发现致突变活性。而彗星试验结果显示厌氧消化能降低DNA受损程度，但温度对它的影响差别不明显。
研究团队希望人们透过试验结人们注意到对处理工艺和技术的效果评估，除了传统的参数外，还应对新型污染物，例如OMPs等进行检测，尤其当这些产物用于农业用途时。而对OMPs进行完整评估，需要结合化学物质的鉴定和相关物质的生物转化情况。
研究人员将三类检测指标和去除效率的相关性总结为下表。这个定性的热力图对中温(MAD)和高温(TAD)厌氧消化的效率以及传统和创新参数作了比较分析。绿色表示去除效率高，黄色表示中等，红色表示低。
上图也展示了高温厌氧消化优于中温的一些优点，例如更好的消毒效果，沼气产量和质量的提高等。当然，高温消化往往伴随着更高的能耗要求，工艺不稳定的风险以及污泥脱水性的降低，但在OMPs的去除和内分泌干扰活性上，高温消化在污泥稳定化处理方面的优势还是很显著的。日后如果这些生物分析工具能够得到政策的支持和获得更好的推广，高温消化的优点可能会更突出。此外，研究团队还指出，目前生物分析工具在污泥上的应用依然十分有限。除了内分泌干扰活性和遗传毒性之外，另外还应对厌氧消化中抗生素耐药性和氧化应激等因素进行分析，才能形成一个完整的评估。
参考资料
L. Gonzalez-Gil, M. Papa, D. Feretti, E. Ceretti, G. Mazzoleni, N. Steimberg, R. Pedrazzani, G. Bertanza, J.M. Lema, M. Carballa, Is anaerobic digestion effective for the removal of organic micropollutants and biological activities from sewage sludge? Water Research 102 (2016), 211-220.