水處理設(shè)施對水生態(tài)系統(tǒng)及人體健康的影響

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，有幾種藥物和個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品（ppcps）、有害廢物（edps）、副消毒產(chǎn)品（dap）、環(huán)境激素和農(nóng)藥被排放到水環(huán)境。這些物質(zhì)通常容易積累，并影響水生生物的健康，然后人類的健康。且這類物質(zhì)大多沒有具體的相關(guān)環(huán)境管理政策法規(guī)或排放標(biāo)準(zhǔn)控制,通常被稱為新型污染物〔5-9]?，F(xiàn)有的BOD5、COD、TOC、NH3-N等水質(zhì)指標(biāo)并不能很好地評價(jià)水體中的新型污染物。1污水處理廠污水中的污染物新型污染物主要通過以下幾種途徑污染飲用水水源:(1)工業(yè)污染源。工業(yè)企業(yè)產(chǎn)生的含新型污染物的污水排入水體,進(jìn)而影響飲用水水質(zhì)。(2)給水系統(tǒng)污染源。例如雙酚A(BPA)、烷基酚、鄰苯二甲酸酯類(PAEs)、多環(huán)芳烴類(PHAs)等內(nèi)分泌干擾物會(huì)從塑料配水管道溶入水體〔1〕。氯消毒會(huì)增加多環(huán)芳烴從煤焦油瀝青涂層的配水管道浸出的可能性,從而污染飲用水水源〔10〕。(3)污水處理系統(tǒng)排水污染。由于污水處理廠的常規(guī)處理工藝對內(nèi)分泌干擾物通常不能達(dá)到良好的去除,導(dǎo)致痕量的內(nèi)分泌干擾物排入地表水體,進(jìn)而污染到飲用水水源〔1〕。(4)醫(yī)院污水。醫(yī)院污水常含有各種藥物、放射性核素、溶劑及消毒劑等,造成水源污染〔7〕。(5)垃圾填埋場滲濾液。由于個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品、含有添加劑的日常用品廢棄物等的填埋處理,造成了垃圾填埋場滲濾液中含有各種類型的新型污染物,如果處理不當(dāng)可能造成水源污染〔11〕。各類水域中新型污染物的種類及出現(xiàn)的概率引起了研究者的廣泛興趣。N.Martí等〔12〕考察了西班牙巴倫西亞自治區(qū)沿海水域及沿海區(qū)域的28個(gè)污水處理廠出水中環(huán)境優(yōu)先污染物的分布情況:在沿海水域中,有13種分屬于四大類(揮發(fā)性有機(jī)物、有機(jī)氯農(nóng)藥、鄰苯二甲酸酯類、三丁基錫類)污染物出現(xiàn)的概率大于20%。R.Rodil等〔8〕考察了53種分別屬于藥物、有機(jī)磷阻燃劑/增塑劑、三氯生、苯氧基型除草劑、殺蟲劑的新型污染物在西班牙西北部加利西亞地區(qū)廢水、地表水及飲用水中的污染情況:19種污染物存在于廢水中,其平均質(zhì)量濃度高達(dá)0.1μg/L,其中3種物質(zhì)的質(zhì)量濃度超過1μg/L;經(jīng)過污水處理廠處理后,仍有11種污染物平均質(zhì)量濃度超過0.1μg/L。Y.Yoon等〔13〕報(bào)導(dǎo)了韓國首爾區(qū)域漢江中31種內(nèi)分泌干擾物和藥物及個(gè)人護(hù)理品,其質(zhì)量濃度為56~1013ng/L,是漢江中最為常見的新型污染物。2新污染物的去除2.1各物理性能的去除由于新型污染物在水環(huán)境中廣泛存在,而且對水環(huán)境及人類健康具有潛在影響,常規(guī)污水處理設(shè)施對新型污染物的去除效果引起了人們的廣泛關(guān)注。R.Rosal等〔6〕探討了市政污水處理廠對新型污染物的去除效果,進(jìn)水中污染物的質(zhì)量濃度為0.02~26μg/L,5種物質(zhì)的去除率達(dá)95%以上,17種物質(zhì)的去除率達(dá)到50%~90%,14種藥物及個(gè)人護(hù)理品的去除率小于20%,出水質(zhì)量濃度為0.012~5.6μg/L。X.J.Kong等〔14〕研究了哈爾濱某市政污水處理廠對鄰苯二甲酸酯類及農(nóng)藥類新型污染物的去除效果,進(jìn)水中污染物的質(zhì)量濃度為0.074~7.152μg/L,出水中物質(zhì)的質(zhì)量濃度為0.021~2.953μg/L,最大去除率為98.9%,最小去除率為22.7%,顯示了污水處理廠對上述新型污染物有一定的去除效果。A.Bernabeu等〔9〕報(bào)導(dǎo)了西班牙東部某采用活性污泥法的污水處理廠對11種新型污染物的去除效果,進(jìn)水質(zhì)量濃度為0.03~15.79μg/L,2種物質(zhì)的去除率達(dá)到98%以上,1種物質(zhì)的去除率為70%,2種物質(zhì)的去除率小于30%,6種物質(zhì)基本上沒有去除效果。由此可見,常規(guī)污水處理設(shè)施對各類新型污染物的去除效果具有很大的不確定性。2.2處理技能的研究鑒于常規(guī)污水處理設(shè)施的處理效果具有不確定性,研究者應(yīng)用各種工藝對新型污染物的去除進(jìn)行了廣泛的研究。2.2.1水源有機(jī)物的去除混凝沉淀法工藝成熟且應(yīng)用廣泛。但是,研究者普遍認(rèn)為混凝沉淀法并不能很好地去除水中的新型污染物〔15-18〕。P.Westerhoff等〔15〕考察了硫酸鋁混凝沉淀對飲用水水源水中60種質(zhì)量濃度為30~150ng/L的藥物及個(gè)人護(hù)理品和內(nèi)分泌干擾物的去除效果,絕大多數(shù)目標(biāo)新型污染物的去除率并不受水源水中污染物濃度及組成的影響;在pH為6.8,Al3+投加量為6.3mg/L時(shí),46種污染物的去除率小于20%,只有疏水性極大的多環(huán)芳烴和殺蟲劑的去除率能分別達(dá)到60%~80%和25%~50%,這可能是其易于吸附至溶液中懸浮顆粒及沉淀絮體中的緣故。試驗(yàn)結(jié)果表明:物質(zhì)的疏水性是影響該工藝去除率的重要因素。C.Adams等〔16〕應(yīng)用鋁鹽或鐵鹽混凝沉淀、過量石灰/蘇打粉軟化去除飲用水水源中的7種抗生素,研究表明基本上沒有去除效果。M.Bodzek等〔17〕應(yīng)用聚合氯化鋁作為混凝劑處理水中6種甾族性荷爾蒙,Al3+投加量為5.4mg/L,去除率達(dá)到17%~40%。N.Vieno等〔18〕研究了硫酸鐵作為絮凝劑對水中5種藥物的去除效果,除了雙氯芬酸,各物質(zhì)的去除率均小于10%,但隨著水中高分子質(zhì)量溶解性有機(jī)物的增加,雙氯芬酸、布洛芬和苯扎貝特的去除率分別提高到77%、50%和36%,表明水中高分子質(zhì)量溶解性有機(jī)物的存在會(huì)促進(jìn)易電離藥物的去除。2.2.2飲用水水源對pac去除抗菌藥物的凈化效果活性炭對水中新型污染物有良好的去除效果〔15-16,19〕,研究內(nèi)容主要集中在吸附等溫線及吸附動(dòng)力學(xué)、背景有機(jī)物的影響等。P.Westerhoff等〔15〕研究了粉末活性炭(PAC)對60種質(zhì)量濃度為18~191ng/L的藥物及個(gè)人護(hù)理品和內(nèi)分泌干擾物的去除效果,PAC投加量為5mg/L,吸附時(shí)間為4h,出水質(zhì)量濃度可低至小于1ng/L,最高為50ng/L;除了4種物質(zhì)的去除率小于30%以外,其余物質(zhì)的去除率可達(dá)47%~98%,且去除效果不受污染物初始濃度的影響。C.Adams等〔16〕探討了PAC對飲用水水源中質(zhì)量濃度均為50μg/L的7種抗生素的去除效果,在吸附時(shí)間為4h,PAC投加量分別為10、20、50mg/L時(shí),去除率分別為49%~73%、65%~100%、大于90%。A.Jusoh等〔19〕的研究結(jié)果表明:顆?；钚蕴繉︸R拉硫磷具有良好的處理效果,吸附容量可達(dá)909.1mg/g。Langmuir及Freundlich是兩種成熟且應(yīng)用廣泛的描述活性炭對新型污染物去除的模型。Y.Yoon等〔20〕探討了PAC對3種雌激素的去除效果,研究結(jié)果表明:在飲用水水源水中其質(zhì)量濃度為500ng/L或以上時(shí),去除率可達(dá)99%,其吸附動(dòng)力學(xué)符合Freundlich模型。QianSui等〔21〕探討了中孔炭對雙酚A的吸附性能及吸附動(dòng)力學(xué),其吸附符合擬二級動(dòng)力學(xué),吸附容量在溫度為10~40℃時(shí)隨著溫度的升高而降低;當(dāng)pH在3~9時(shí),吸附容量沒有明顯變化,而pH在9~13時(shí),吸附容量急劇下降。S.A.Snyder等〔22〕的研究結(jié)果表明:水中的天然有機(jī)物(NOM)會(huì)顯著降低GAC對目標(biāo)微量有機(jī)物的吸附容量,這是由于NOM與目標(biāo)微量有機(jī)物競爭活性炭的吸附點(diǎn)位以及NOM堵塞活性炭微孔造成的。E.Dickenson等〔23〕的試驗(yàn)也印證了上述結(jié)論,在相同的條件下,二級出水有機(jī)物的存在會(huì)顯著降低PAC對5種藥物的吸附效果。Z.Yu等〔24〕的研究結(jié)果表明:NOM吸附層能顯著降低活性炭對親水性或離解溶質(zhì)(如萘普生)的吸附。且活性炭孔徑分布范圍越大,越易對NOM進(jìn)行吸附,從而降低GAC對新型污染物的吸附容量,因此,與目標(biāo)化合物更接近的孔徑尺寸所占的比重越大,且大孔徑所占的比重越小,越有利于GAC對目標(biāo)化合物的吸附。2.2.3膜技術(shù)對污染物的去除效果應(yīng)用于水處理領(lǐng)域的膜主要包括微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)、反滲透(RO)等,常用于新型污染物處理的膜主要為UF、NF及RO。H.Ozaki等〔25〕探討了低壓聚酰胺反滲透膜工藝對藥物及個(gè)人護(hù)理品和內(nèi)分泌干擾物的去除效果。研究結(jié)果表明:不離解溶質(zhì)的截留主要依靠吸附及尺寸截留作用,溶液pH對其不產(chǎn)生影響;離解溶質(zhì)的截留主要靠靜電排斥作用,不同pH時(shí),溶質(zhì)的離解度成為聚酰胺RO膜對其去除的主要影響因素。Y.Yoon等〔26〕應(yīng)用NF和UF工藝去除52種質(zhì)量濃度為2~250ng/L的藥物及個(gè)人護(hù)理品和內(nèi)分泌干擾物,表明疏水性吸附及尺寸截留是其去除上述物質(zhì)的主要機(jī)制,且尺寸截留起主導(dǎo)作用;同時(shí),研究結(jié)果表明:水樣的性質(zhì)(如pH、DOC、離子強(qiáng)度),待處理物性質(zhì)(極性和疏水性)和膜的性質(zhì)(膜孔徑、疏水性等)同樣是該工藝不可忽略的影響因素。J.L.Acero等〔27〕應(yīng)用UF和NF膜處理水中11種新型污染物,NF對污染物的截留率大于70%,尺寸截留及靜電排斥起主要作用;超濾對污染物的截留主要依賴吸附作用,截留率小于50%。P.Xu等〔28〕研究了NF和RO膜對藥物的去除效果,二級出水有機(jī)物的存在有助于NF及反滲透膜對水中易電離藥物的截留,這可能是由于其減少了膜表面負(fù)電荷的緣故;水中各易電離藥物的質(zhì)量濃度為300ng/L時(shí),各種膜對其的截留率達(dá)到89%以上。綜上所述,膜技術(shù)對新型污染物具有良好的去除效果。但是,濃水的處置是該工藝必須面臨的問題。2.2.4其他新型污染物的去除(1)臭氧氧化。N.Nakada等〔29〕應(yīng)用砂濾及臭氧氧化組合工藝處理城市污水處理廠二級出水中的24種藥物活性化合物(PhACs),絕大多數(shù)物質(zhì)的去除率大于80%,臭氧氧化起主導(dǎo)作用,含C=C雙鍵的物質(zhì)易于氧化,含氨基結(jié)構(gòu)的化合物難于氧化。M.M.Huber等〔30〕的研究結(jié)果表明:市政污水處理廠出水中0.5~5μg/L抗生素和雌激素等類別的藥物,經(jīng)過大于等于2mg/L的臭氧氧化后,去除率可達(dá)90%~99%,懸浮固體對處理效果影響較小。(2)氯氧化。C.Adams等〔16〕的研究結(jié)果表明:氯氧化水中質(zhì)量濃度均為50μg/L的7種抗生素,當(dāng)水中游離氯質(zhì)量濃度為1mg/L,各物質(zhì)的去除率達(dá)到50%時(shí)所需的時(shí)間為2.8~4.3min,各物質(zhì)的去除率為90%時(shí)所需的時(shí)間為8.0~40.5min。Q.H.Wu等〔31〕的研究表明:游離氯可以有效地去除水中的三氯生、雌三醇和雌素酮,但并不能有效地去除布洛芬、碘普羅胺和氯貝酸,且pH顯著影響其對這幾種藥物的去除效果。(3)光催化。C.Adams等〔16〕研究了紫外線(UV)降解水中質(zhì)量濃度均為50μg/L的7種抗生素,當(dāng)UV劑量為飲用水常用消毒劑量的100倍時(shí),其去除率達(dá)到50%~80%,表明UV并不適合用于去除上述新型污染物。A.Bernabeu等〔9〕應(yīng)用TiO2光催化工藝處理污水處理廠出水中11種新型污染物,在TiO2質(zhì)量濃度為0.5g/L,反應(yīng)時(shí)間為3h,大多數(shù)新型污染物能去除至檢測限以下,同時(shí)能獲得較好的消毒效果。P.M.Alvarez等〔32〕制備了磁性TiO2納米粒子催化劑,并應(yīng)用于光催化降解水中5種藥物及個(gè)人護(hù)理品,其催化效果與市售的高效光催化劑DegussaP25TiO2相當(dāng),催化劑重復(fù)使用4次后并不造成催化能力降低。水中DOC的高低會(huì)影響氧化工藝對目標(biāo)污染物的去除效果,在低DOC的水中,氧化工藝易取得良好的效果〔30〕。應(yīng)用氧化工藝時(shí),應(yīng)控制氧化劑的投量及各反應(yīng)參數(shù),控制消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生,因?yàn)橄靖碑a(chǎn)物有可能含有未知的副作用〔30,33〕。2.2.5膜處理前后的抗氧化能力J.Reungoat等〔34〕應(yīng)用中試規(guī)模的生物活性炭濾池工藝處理污水處理廠出水,藥物及個(gè)人護(hù)理品的去除率大于90%,出水質(zhì)量濃度小于10ng/L,系統(tǒng)在不更換濾料的情況下能穩(wěn)定運(yùn)行兩年以上,表明其主要去除機(jī)制為生物降解作用。Fe(Ⅵ)具有強(qiáng)氧化性且反應(yīng)后具有混凝沉淀作用〔35〕。BinYang等〔36〕探討了Fe(Ⅵ)技術(shù)處理污水處理廠出水中31種質(zhì)量濃度為0.2~1156ng/L的藥物及個(gè)人護(hù)理品和內(nèi)分泌干擾物,Fe(Ⅵ)投加量分別為2.5、5、10mg/L時(shí),其平均去除率達(dá)50.7%、64.0%、77.8%,顯示了良好的處理效果和應(yīng)用前景。3好氧生物處理由于新型污染物來源眾多,種類多樣,且其對水生態(tài)系統(tǒng)及人類健康潛在的影響尚待研究,相關(guān)的環(huán)境管理政策及排放標(biāo)準(zhǔn)尚不完善,因而引起了研究者的廣泛關(guān)注?；炷恋矸▽λ?/p>