传统与先进污水处理过程中药品和个人护理产品的去除

《Environmental Advances》：Removal of pharmaceuticals and personal care products in conventional and advanced wastewater treatment processes

　　

研究人员分析了来自南非德班七个污水处理厂的进水和出水样本，这些处理厂采用传统和三级处理工艺。利用先进分析方法，研究人员定量了140种药品和个人护理产品（PPCPs）的浓度，在进水中检测到75种化合物处于较高水平，包括与区域健康负担相关的抗生素和抗病毒药物。进水中的平均测量浓度范围为19,000 ng L^-1至6,100 ng L^-1，咖啡因测量值最高（1,600,000 ng L^-1）。去除效率变化很大，介于>95%至30%之间，三级处理如膜过滤和高级氧化相比传统方法实现了更优的降低。这些发现强调了先进处理技术在减轻废水中PPCPs污染方面的重要性，为加强水回用安全和应对水资源短缺区域的新兴污染物提供了策略依据。

**论文解读：传统与先进污水处理过程中药品和个人护理产品的去除**

**研究背景与问题**
全球水资源短缺日益严峻，约24亿人口居住在水资源紧张国家。废水回用被视为缓解水压力的关键策略，然而废水中广泛存在的微污染物，尤其是药品和个人护理产品（PPCPs），对水回用安全构成重大威胁。PPCPs在传统污水处理工艺中难以完全去除，且区域性疾病负担（如南非高发的HIV/AIDS）导致抗逆转录病毒药物等特定污染物浓度异常升高。本研究聚焦南非德班地区——该国为全球最干旱国家之一，正推进废水回用项目，但PPCPs的存在成为主要挑战。通过调查七个污水处理厂（WWTW）中140种PPCPs的去除情况，旨在评估不同处理工艺的效能，为高质量回用水生产提供科学依据。

**研究内容与结论**
研究人员采集了德班七个WWTW的进水和出水样本，涵盖传统处理（初级+二级）和三级处理（膜过滤、臭氧氧化、活性炭等）工艺。采用固相萃取（SPE）结合超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）定量分析140种PPCPs。主要结论包括：三级处理厂（DWR和MEB）对多数PPCPs去除率>95%，显著优于传统处理；进水中抗逆转录病毒药物浓度极高（如拉米夫定平均26000 ng L^-1），反映区域用药模式；部分传统处理厂因设施受损（如NOW）或仅初级处理（如SOW）导致去除效率低下，甚至出现负去除。研究强调三级技术在保障废水回用安全中的关键作用，为水资源短缺地区制定污染物控制策略提供直接证据。

**重要意义**
该研究首次系统评估南非地区140种PPCPs在多种污水处理工艺中的去除行为，揭示了区域健康负担与废水污染物特征的紧密关联。成果发表在《Environmental Advances》，为优化废水处理工艺、推动安全水回用实践提供了重要参考。

**关键技术方法（250字以内）**
研究采用以下关键技术方法：
1. **采样设计**：于南非德班七个污水处理厂（Amanzimtoti WWTW、Durban Water Recycling Plant、KwaMashu MEB Pilot Plant、KwaMashu WWTW、Northern WWTW、Southern WWTW、Umbilo WWTW）连续四天采集进水与出水样品（每日两次，共n=18/厂）。
2. **样品前处理**：通过固相萃取（SPE）使用Oasis? HLB柱富集目标物，离心去除颗粒物后加内标，甲醇/乙酸乙酯洗脱。
3. **分析检测**：采用超高效液相色谱-三重四极杆质谱（UHPLC-MS/MS）在正负离子模式下进行定量分析，监测140种PPCPs（含35个治疗类别），检出限（LOQ）为0.05–80 ng mL^-1，标准曲线R² >0.995。

**研究结果**

**Pharmaceutical and personal care products concentrations in the influent**
通过检测进水样品，140种PPCPs中有75种在至少一个采样点高于LOQ，覆盖25个治疗类别。平均进水浓度范围为6100 ng L^-1（AMW）至19000 ng L^-1（KMW），咖啡因浓度最高达1,600,000 ng L^-1。抗逆转录病毒药物总平均浓度达46000 ng L^-1，拉米夫定（lamivudine）为最常检出药物，平均浓度26000 ng L^-1，反映南非HIV高流行率。不同WWTW的进水组成存在差异，如利尿剂呋塞米在AMW平均59000 ng L^-1，而在MEB仅为2000 ng L^-1。

**Pharmaceutical and personal care products concentrations in the effluents and removal rates**
所有进水中检出的75种PPCPs在出水中也均有检出。中位出水浓度范围从MEB的7.7 ng L^-1到SOW的720 ng L^-1。三级处理厂MEB（膜曝气生物膜反应器+超滤+高级氧化）和DWR（过滤+臭氧+活性炭）对>95%的PPCPs去除率超过95%，显著优于传统工艺。传统处理厂AMW、KWM和UMW对55%–60%的PPCPs去除率>50%，而NOW因2022年洪水损坏，去除性能极差（仅20.8%的PPCPs去除率>50%），甚至低于仅初级处理的SOW（30.6%）。值得注意的是，某些难降解化合物（如卡马西平、氟康唑）在三级处理中仍可有效去除，但需优化臭氧投加量。负去除率现象在SOW（32种）和NOW（11种）中普遍存在，可能与采样偏差或代谢物转化有关。

**总结与讨论**
讨论部分指出，三级处理技术（尤其是膜过滤与高级氧化组合）对PPCPs的去除具有显著优势，但不同化学结构的化合物对处理工艺的响应存在差异。例如，氟康唑在DWR中去除率仅11.3%，而在MEB中高达>99.9%，说明工艺组合需针对特定污染物优化。传统处理厂之间的去除差异（如米安色林在UMW>99.9%，在AMW和KWM<25%）揭示了生物处理过程的复杂性。研究还强调，即使同厂运行时，进水负荷波动（如NOW中双氯芬酸浓度从130000 ng L^-1骤降至1600 ng L^-1）也会影响去除评估。

**研究结论翻译**
这项研究表明，PPCPs广泛存在于德班WWTW的废水中，其中抗逆转录病毒药物的高浓度反映了区域健康模式。各处理厂的去除效率差异显著，部分化合物出现负去除，可能归因于代谢物转化或采样效应。重要的是，配备三级处理的工厂在PPCPs去除方面表现出一致性优势，凸显了在日益严重的水资源短缺背景下，采用先进处理工艺对于生产高质量回用水的必要性。本研究提供了南非废水中药品和个人护理产品的全面、区域特异性评估，定量分析了传统与三级处理系统中的140种分析物。通过将高浓度抗病毒和抗生素药物与区域健康负担相关联，并比较实际处理性能，本研究提供了新的证据表明先进的三级处理显著提升了PPCPs去除效果，从而支持在水资源匮乏地区实现更安全的水回用。