污水处理厂二级出水中新兴有机污染物和嗅味物质的调研及深度处理中试研究

近日，清华大学深圳国际研究生院张锡辉教授团队在环境领域知名期刊Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Emerging Organic Contaminants and Odorous Compounds in Secondary Effluent Wastewater: Identification and Advanced Treatment”研究论文，对深圳某污水处理厂二级出水中新兴污染物和嗅味物质进行了调研，并采用原位臭氧/陶瓷膜+生物活性炭组合工艺对污水处理厂二级出水进行深度处理，探究了组合工艺对28种PPCPs、5种EDCs和3种嗅味物质的去除效果，为污水处理厂二级出水深度处理提供了经济可行的方案。

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污水处理厂二级出水是环境中新兴污染物的主要来源之一，若不经处理直接排放，会导致新兴污染物在水体中的“死循环”。本论文以深圳市某污水处理厂为研究对象，首先分析了该污水厂现有A²/O工艺各个工艺段对PPCPs、EDCs和嗅味物质的去除情况，并对其存在的生物风险进行评估。然后采用原位臭氧/陶瓷膜+生物活性炭组合工艺（O₃/CMF+BAC工艺）对二级出水进行了较大规模的深度处理中试研究（1000 m³/d）。实验探究了组合工艺中O₃/CMF单元和BAC单元对PPCPs、EDCs和嗅味物质的去除效果和协同机理，分析了技术经济指标，并与其他文献中的深度处理工艺的运行成本对比，体现了组合工艺的经济性。研究结果表明，O₃/CMF+BAC组合工艺运行稳定，经济可行，是一种具有应用前景的污水深度处理技术。

引言

污水处理厂常规处理工艺出水中经常检出痕量水平的新兴有机污染物（EOCs），如药品和个人护理用品（PPCPs）、内分泌干扰物（EDCs）、嗅味物质如土臭素（GSM）、2-甲基异莰醇（2-MIB）和二甲基三硫醚（DMTS）等。这些物质若不经深度处理而直接排放，将对人类健康和生态安全造成威胁，最终导致形成“人体-污水处理厂-饮用水厂-人体”之间的死循环。因此，采用深度处理工艺去除二级出水中的EOCs和嗅味物质，至关重要。常见的深度处理技术有生物降解、物理吸附和高级氧化，其中生物降解因污水中特定菌株含量低而受限，而物理吸附因存在吸附饱和现象而存在吸附剂更换问题。同时，常用的芬顿和类芬顿高级氧化工艺因苛刻的反应条件、化学品消耗大和能耗高等问题而限制其大规模应用。已有研究表明，O₃/CMF可以高效去除有机污染物，因此其在实际工程应用中备受关注。但O₃/CMF组合工艺存在矿化率低现象，需要与BAC组合进一步提升去除率。本研究提出用O₃/CMF+BAC组合工艺深度处理污水厂二级出水中的EOCs和嗅味物质，并进行了工程性中试研究。

图文导读

如图2所示，该污水处理厂的原水中共检出29种PPCPs，其中抗生素类占比近50%，而浓度最高的4种PPCPs分别是咖啡因（780ng/L）、茶碱（461 ng/L）、萘普生（371 ng/L）和土霉素（359 ng/L），5种EDCs中双酚A浓度高达1420 ng/L，3种嗅味物质中DMTS浓度高达10100 ng/L。经A2/O工艺处理后，出水中残留的PPCPs总浓度约为512 ng/L，EDCs中炔雌醇的残余量最多，约为811 ng/L。污水处理厂现有工艺对三种嗅味物质的总去除率约为95.8%，其最终残留总浓度约为553 ng/L。由此可见，虽然A2/O工艺对污水中的PPCPs、EDCs和嗅味物质均具有一定的去除能力，但其二级出水中残留的总浓度仍然较高，若不经处理直接排放，势必会引起生态风险。

图3所示为中试工艺对污水处理厂二级出水中残留PPCPs的去除效果。经O3/CMF处理后，PPCPs种类从28种减少到11种，而经BAC进一步处理后，最终出水中仅检出5种PPCPs。中试工艺对PPCPs的平均总去除率约为98.9%。其中O3/CMF单元完全去除了17种PPCPs，剩余11种PPCPs的去除率在52.3%到99.3%之间。BAC单元可进一步完全去除6种PPCPs，其中剩余的5种PPCPs分别是咖啡因、DEET、红霉素、氧氟沙星和水杨酸。

图4所示为中试工艺对二级出水中残留EDCs的去除效果。经O3/CMF处理后，EDCs的残留浓度从901 ng/L降至86.8ng/L，而经BAC进一步处理后，最终出水中EDCs的总浓度进一步降至41.4 ng/L。中试工艺对EDCs的平均总去除率约为95.4%，最终残留的EDCs主要为壬基酚和炔雌醇，其浓度分别为21.7 ng/L和15.1 ng/L。其中O3/CMF单元可以去除约91.3%炔雌醇。中试工艺对5种EDCs的平均去除率均大于89%。

图5是中试工艺对二级出水中嗅味物质的去除效果数据图。经O3/CMF处理后，GSM、2-MIB和DMTS的残留浓度从531ng/L降至76.1 ng/L，而经BAC进一步处理后，最终出水中嗅味物质的总浓度进一步降至12.8 ng/L。中试工艺对嗅味物质的平均总去除率约为97.6%，其中因O3的氧化作用，O3/CMF是去除嗅味物质的主要单元，该单元可去除100%的DMTS、83%的2-MIB和90%的GSM。BAC单元可通过吸附和生物降解将O3/CMF出水中残留的GSM完全去除，而2-MIB是中试工艺处理后唯一残留的嗅味物质，其浓度约为12.8 ng/L。

基于污水厂480,000 m³/d处理规模和陶瓷膜运行年限可达20年，对组合工艺进行经济可行性分析。其中投资成本包括臭氧氧化化系统、陶瓷膜过滤系统、活性炭过滤系统、管道和电气设备等建设费用，以及购买陶瓷膜组件和颗粒活性炭的费用。工程投资折旧率考虑为5％的残值率和20年的使用寿命。利息支付为投资的6％。运营成本包括用于产生臭氧的电费、泵和在线监控、化学药品、人工费、维护费以及陶瓷膜和活性炭的更换费用等。经计算，中试工艺的最终处理费用约为$0.081/m3，与其他深度处理工艺相对比，具有很高的经济可行性。

总结

污水处理厂现有常规处理工艺对EOCs和嗅味物质具有一定的去除能力，但出水中EOCs的生态风险值仍然较高。经过近7个月的工程性连续中试运行研究，O3/CMF+BAC组合工艺可实现对EOCs和嗅味物质的稳定去除，显著降低出水中EOCs的生态风险值。对中试工艺的经济可行性分析表明，该组合工艺在污水深度处理中具有较好的技术可行性和经济适用性。

作者简介

第一作者：陈丽，硕士毕业于厦门大学，现为清华大学环境学院2018级博士生，导师为张锡辉教授，研究方向为水深度处理技术。通讯作者：张锡辉，博士，清华大学深圳国际研究生院教授，博士生导师。研究方向为水环境修复、环境纳米技术和技术。主持和参与国家自然科学基金重点项目、国家科技攻关、国家863高技术发展项目和国际合作等高水平研究项目。发表论文300余篇，出版著作8部，获国家发明专利授权多项。联系邮箱：xihuizh@tsinghua.edu.cn。

通讯作者：付宛宜，博士，清华-伯克利深圳学院博士后。博士毕业于新泽西理工学院，硕士毕业于清华大学环境学院，本科毕业于中南大学。主要研究方向：（1）催化陶瓷膜技术与原理；（2）纳米限域催化机理。以第一/通讯作者在JMS、WR、JHM、Small等知名期刊发表SCI论文14篇。目前获得中国博士后科学基金第68批面上基金资助，入选深圳市海外高层次人才孔雀计划。