新兴污染物在污水处理厂的归趋研究

随着化学工业发展和消费模式变化，药物和个人护理品（PPCPs）、内分泌干扰物（EDCs）、全氟化合物（PFASs）等新兴污染物在环境中不断被检出，对生态系统和人类健康构成潜在威胁。污水处理厂作为连接人类社会与自然水环境的枢纽，已成为新兴污染物的重要汇集点和转化场所。然而，传统污水处理工艺并非为这些新兴污染物设计，导致它们在污水处理过程中的归趋行为复杂多变。本文将系统探讨新兴污染物在污水处理厂中的迁移转化规律，分析其在各处理单元的去除机制，为优化污水处理工艺提供科学依据。

一、新兴污染物的种类与特性

1.1 典型新兴污染物分类

新兴污染物根据其化学结构和用途可分为几大类：药物活性化合物（抗生素、消炎药、激素等）、个人护理品（防晒剂、香料、消毒剂等）、工业化学品（阻燃剂、塑化剂、表面活性剂等）及农药副产物。这些物质具有浓度低（ng/L-μg/L）、毒性大、难降解等特点。某流域调查显示，污水处理厂出水中检出卡马西平、双酚A等20余种新兴污染物，浓度虽低但具有生物累积效应。

1.2 环境行为特征分析

新兴污染物在污水处理系统中的行为受多种因素影响。极性决定了其在水相和污泥相的分配；挥发性影响气相的迁移；化学稳定性决定其降解难易。例如，三氯生等疏水性物质（log Kow>4）易吸附于污泥，而磺胺类抗生素等亲水性物质（log Kow<2）主要存在于水相。此外，pH值、温度、氧化还原条件等环境因素也会显著改变其存在形态和反应活性。

二、常规处理工艺中的归趋行为

2.1 物理沉淀过程的去除效果

初级沉淀对新兴污染物的去除效率普遍较低（通常<20%），主要依赖于颗粒物的吸附共沉淀。疏水性较强的物质如多溴联苯醚（PBDEs）可通过吸附在悬浮固体上被部分去除（约30-50%）。然而，大多数极性新兴污染物在初沉池中去除有限，某污水处理厂数据显示，布洛芬、双酚A等物质在初沉阶段去除率不足15%，表明物理沉淀并非主要去除途径。

2.2 生物处理中的转化机制

活性污泥法是新兴污染物转化的重要场所，主要通过生物降解、污泥吸附和挥发三种途径去除。生物降解效率差异极大：易降解物质如咖啡因去除率可达90%以上，而卡马西平等顽固物质去除率不足20%。污泥吸附对疏水性物质贡献显著，如三氯卡班在活性污泥中的吸附去除占比达60%。值得注意的是，某些物质在生物处理中可能转化为毒性更大的中间产物，如非甾体抗炎药在好氧条件下会产生羟基化衍生物。

三、深度处理技术的强化作用

3.1 高级氧化工艺的降解效能

臭氧氧化和紫外/过氧化氢（UV/H₂O₂）等高级氧化技术能有效降解多种新兴污染物。羟基自由基（·OH）的强氧化性可破坏顽固有机物的分子结构。实践表明，臭氧剂量5-10mg/L时，对磺胺类抗生素的去除率超过90%。但某些含氮、溴化合物在氧化过程中可能生成亚硝胺、溴酸盐等副产物。某采用臭氧氧化的污水厂发现，臭氧投加量需精确控制，否则双酚A降解同时会生成醌类中间体。

3.2 膜分离技术的截留特性

纳滤（NF）和反渗透（RO）对新兴污染物具有优异截留效果（通常>90%），主要依靠尺寸排阻和静电排斥作用。分子量>200Da的物质如四环素类抗生素易被纳滤膜截留；带电物质如全氟辛酸（PFOA）则受Donnan排斥影响。然而，膜分离产生的高浓度浓缩液处理成为新挑战。某MBR-RO组合工艺研究表明，虽然RO出水水质优良，但浓缩液中新兴污染物浓度升高10-50倍，需专门处置。

四、污泥处理过程中的二次影响

4.1 厌氧消化中的行为变化

污泥厌氧消化可能改变新兴污染物的存在形态。某些物质如三氯生在厌氧条件下发生还原脱氯，毒性降低；而雌激素类物质在厌氧环境中相对稳定。抗生素残留可能影响消化微生物活性，四环素浓度>1mg/kgTS时甲烷产量下降15%。某中试研究发现，污泥消化对环丙沙星的去除率仅20-30%，大部分仍残留在消化后污泥中。

4.2 污泥处置的长期风险

当污泥用于土地利用时，其中的新兴污染物可能重新进入环境。塑化剂DEHP在施用于土壤后半年内仍有50%残留；抗生素可促进土壤中抗性基因传播。焚烧虽能有效破坏有机物，但某些含卤素物质可能生成二噁英。监测数据显示，污泥堆肥过程中四环素类抗生素浓度降低80%，但抗性基因丰度增加2-3个数量级，提示需关注间接生态风险。

五、优化控制策略与未来方向

5.1 基于风险的分级控制

针对不同风险特征的新兴污染物应采取差异化控制策略。对高毒性、易累积物质如全氟化合物应优先去除；对可降解物质如咖啡因可依赖生物处理；对可能形成有毒中间产物的物质需谨慎选择处理工艺。欧盟水框架指令将新兴污染物分为"优先监控"和"重点关注"两类，为风险管控提供依据。

5.2 技术集成与工艺创新

单一技术难以应对所有新兴污染物，需发展组合工艺。"臭氧-生物活性炭"组合对多种药物残留去除率>80%；"膜生物反应器-高级氧化"系统可同时控制常规和新兴污染物。新兴的光催化、电化学等技术也展现出良好前景。某示范工程采用UV/氯工艺，将28种目标新兴污染物的总浓度从756ng/L降至89ng/L。

结语：面向未来的综合治理体系

新兴污染物在污水处理厂中的归趋研究揭示了传统处理系统的局限性，也为工艺优化指明了方向。未来污水处理厂应从"污染物去除"向"风险管控"转型，建立涵盖源头控制、过程优化和末端保障的综合治理体系。加强污水厂进出水和污泥的常态化监测，开发高效低耗的深度处理技术，完善污泥安全处置方法，是应对新兴污染物挑战的必由之路。随着科学认识的深入和技术进步，污水处理厂有望成为阻截新兴污染物进入环境的重要屏障，为保护水生态安全和人类健康发挥更大作用。