Emerging Organic Pollutants in Waste Waters and Sludge pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Berlin Heidelberg

作者:Barcelo, Damia; Barcel, Dami;

出品人:

页数:296

译者:

出版时间:2009-12-28

价格:USD 179.00

装帧:Paperback

isbn号码:9783642060748

丛书系列:

图书标签:

• Emerging contaminants
• Wastewater treatment
• Sludge treatment
• Environmental pollution
• Organic pollutants
• Water quality
• Environmental chemistry
• Analytical chemistry
• Risk assessment
• Environmental monitoring

污泥与废水中的新兴有机污染物 第一章：引言 废水和污泥是现代社会运行过程中不可避免的副产品，它们承载着人类活动产生的复杂化学物质。长期以来，公众对传统污染物如重金属、有机农药和持久性有机污染物的关注占据主导地位。然而，随着分析技术和环境监测能力的飞跃，一类新型的、结构多样且来源广泛的有机化合物——新兴有机污染物（Emerging Organic Pollutants, EOPs）——逐渐浮出水面，成为环境科学和公共卫生领域亟待解决的重大挑战。 EOPs涵盖的范围极为广泛，包括但不限于： 药物和个人护理品（Pharmaceuticals and Personal Care Products, PPCPs）：如抗生素、激素类药物、止痛药、抗抑郁药、防腐剂、香料、防晒剂等。这些物质在使用后，通过排泄物或直接排放进入污水系统，其残留物在废水处理厂难以完全去除。 内分泌干扰物（Endocrine Disrupting Chemicals, EDCs）：包括某些塑料添加剂（如双酚A、邻苯二甲酸酯）、农药、工业化学品以及某些天然产物，它们能够干扰生物体的内分泌系统，对生殖、发育和代谢产生不良影响。 全氟和多氟代烷基物质（Per- and Polyfluoroalkyl Substances, PFAS）：这是一类具有高度稳定性和疏水疏油性的合成化学品，广泛应用于不粘涂层、防水纺织品、消防泡沫等。由于其极强的稳定性，被称为“永久性化学品”，一旦释放到环境中，极难降解。 新型农药和兽药：随着农业生产的发展，新型高效的农药和兽药不断被开发和使用，其中一些可能具有新的环境行为和毒性。 工业化学品和其降解产物：包括某些增塑剂、阻燃剂、表面活性剂、染料以及它们的降解产物，这些物质在工业生产和产品使用过程中被释放到环境中。 微塑料的化学组成：微塑料本身虽然是物理污染物，但其表面会吸附大量的EOPs，同时其自身的化学添加剂也可能释放。 这些EOPs的共同特点是： 结构多样性：它们包含的官能团和化学骨架千差万别，使得单一的检测或去除方法难以应对。 低浓度存在：通常在环境样品中以ng/L至µg/L的痕量水平存在，对传统的化学分析方法提出了更高的要求。 持续释放：由于其广泛的应用和使用，EOPs的释放是一个持续且难以完全阻断的过程。 潜在的生物累积性和毒性：即使在低浓度下，长期暴露也可能对人类健康和生态系统造成潜在的、不易察觉的危害，包括但不限于内分泌紊乱、免疫抑制、生殖能力下降、致癌性等。 难以降解性：许多EOPs具有化学惰性，传统废水处理工艺（如活性污泥法）对其去除效率不高，导致大量EOPs通过出水排放或富集在污泥中，进入更广泛的环境介质。 本文旨在系统性地探讨新兴有机污染物（EOPs）在废水和污泥中的存在、迁移、转化以及潜在的环境和健康风险。我们将深入分析这些物质的来源、检测方法、传统处理工艺的局限性，并重点关注用于去除EOPs的新兴处理技术，以及污泥中EOPs的处理和处置问题。最终，希望为制定更有效的EOPs环境管理策略提供科学依据。 第二章：新兴有机污染物的主要来源与归宿 新兴有机污染物（EOPs）的来源极其广泛，几乎渗透到现代社会的每一个角落。理解这些来源对于控制其进入环境至关重要。 2.1 个人护理品与药物 (PPCPs) 这是EOPs最主要的来源之一。人们日常使用的洗发水、沐浴露、牙膏、化妆品、香水等个人护理品中含有大量的防腐剂、香料、乳化剂、抗生素、激素等。这些成分在清洗过程中被冲入下水道，最终进入污水处理系统。同样，未经完全代谢的药物（如抗生素、止痛药、避孕药、精神类药物）通过人体排泄物进入下水道，也是PPCPs进入废水流的重要途径。即使在高度发达的国家，传统活性污泥法对许多PPCPs的去除率也往往低于50%，甚至不足10%。 2.2 农用化学品 农药（包括杀虫剂、除草剂、杀菌剂）和兽药在农业和畜牧业中的广泛使用，使得它们成为EOPs的重要来源。雨水冲刷、灌溉退水以及直接的土壤径流将这些化学物质带入地表水和地下水，部分最终汇入污水处理厂。特别是那些具有高溶解性、低吸附性或高稳定性的农药，更容易在环境中长期存在。 2.3 工业化学品及其生产过程 工业生产过程中使用的各类化学品，如增塑剂（如邻苯二甲酸酯）、阻燃剂（如多溴联苯醚）、表面活性剂、染料、溶剂等，在生产、使用和废弃过程中都可能释放到环境中。工业废水如果未经有效处理直接排放，将成为EOPs的重要来源。此外，一些化学品的生产过程中产生的副产物或中间产物，也可能作为EOPs进入环境。 2.4 塑料制品与微塑料 塑料制品中添加的多种化学物质，如双酚A（BPA）、邻苯二甲酸酯等，在塑料老化、分解过程中会逐渐释放到环境中。微塑料（直径小于5毫米的塑料颗粒）本身可以作为EOPs的载体，其表面能够吸附水中的各种有机污染物，包括EOPs，形成“污染物鸡尾酒”，并可能通过食物链传递。 2.5 生活垃圾渗滤液 垃圾填埋场产生的渗滤液中含有大量复杂的有机物，包括一些EOPs。渗滤液的收集和处理是控制垃圾填埋场环境污染的关键，但部分处理不当的渗滤液仍可能渗入地下或通过地表径流进入水体。 2.6 大气沉降 一些挥发性强的EOPs可以通过大气传输，最终通过干湿沉降进入水体和土壤。例如，某些阻燃剂和药物的蒸气可以在空气中存在，并被输送到远离排放源的区域。 EOPs的归宿： 一旦进入废水和污泥系统，EOPs的归宿主要有以下几种： 随出水排放：如前所述，传统废水处理工艺的有限去除效率意味着大部分EOPs将随着处理后的出水进入河流、湖泊和海洋。 吸附在污泥中：许多EOPs具有一定的疏水性，容易被活性污泥中的有机质吸附。这导致污泥成为EOPs的“垃圾堆”，其浓度可能远高于废水。 转化与降解：在废水处理过程中，部分EOPs可能发生生物降解、化学氧化还原或光解等转化。然而，许多EOPs具有很强的稳定性，不易降解，甚至可能转化为更具毒性的中间产物。 挥发：少部分挥发性强的EOPs可能在曝气等过程中挥发进入大气。 生物累积：在水体中，EOPs可能被水生生物吸收并在体内积累，通过食物链传递。 污泥作为EOPs的富集场所，其后续的处理和处置（如土地施用、焚烧、填埋）也可能导致EOPs的二次传播和环境污染。因此，深入理解EOPs的来源和归宿，是制定针对性防治策略的基础。 第三章：新兴有机污染物在废水处理中的行为与挑战 传统废水处理工艺，如格栅、沉砂、曝气沉淀、活性污泥法等，主要是为去除悬浮物、BOD、COD等“传统”污染物而设计的。然而，对于结构多样、性质各异的新兴有机污染物（EOPs），这些工艺的去除效率往往不尽人意，这给环境带来了新的挑战。 3.1 传统工艺对EOPs的去除局限性 生物降解性差：许多EOPs具有复杂的化学结构、卤素取代基、芳香环等，这些特征使得它们对微生物而言不易被识别和代谢。例如，许多抗生素、激素类药物、部分农药和PFASs就表现出极低的生物降解性。即便在高度硝化或厌氧条件下，也难以实现有效降解。 吸附能力有限：活性污泥法中，EOPs的去除很大程度上依赖于其在污泥颗粒上的吸附。然而，这种吸附是物理过程，且对于高度亲水或分子量很小的EOPs，其吸附效果并不显著。部分EOPs甚至可能在污泥颗粒表面形成“备用库”，在后续处置过程中再次释放。 氧化与还原能力不足：传统的曝气过程提供的氧气量，以及活性污泥中微生物的氧化还原能力，不足以有效破坏许多EOPs的化学键。 未完全去除的物质进入出水：上述因素综合作用，导致大量的EOPs能够逃逸传统处理工艺，以痕量形式进入处理后的排放水中，并最终进入地表水、地下水或海洋。 3.2 EOPs在污水处理厂（STP）中的具体行为 个体差异显著：不同种类的EOPs在STP中的行为差异巨大。例如，一些疏水性较强的EOPs（如某些多环芳烃、部分内分泌干扰物）更容易吸附在污泥中；而一些亲水性较强的EOPs（如一些磺胺类药物、某些激素）则更容易随水相流出。 转化产物的生成：在STP运行过程中，部分EOPs可能发生部分降解或转化，生成新的化合物。这些转化产物有时可能比母体污染物更具毒性或更难降解，例如，某些抗生素可能转化为亚砜或砜衍生物，某些多氟代烷基物质可能转化成更短链的PFASs。 污泥中的富集：如前所述，EOPs是污泥中的重要污染物。污泥的含水量、有机质含量、pH值以及运行模式都会影响EOPs在污泥中的浓度和分布。这种富集效应使得污泥成为一个潜在的二次污染源。 工艺参数的影响：STP的运行参数，如水力停留时间（HRT）、污泥龄（SRT）、曝气强度、进水负荷等，都会对EOPs的去除效率产生影响。例如，更长的SRT通常有利于更多难降解有机物的去除，但也可能增加污泥中EOPs的积累。 3.3 EOPs的环境与健康风险 EOPs的广泛存在，即使在痕量水平，也带来了不容忽视的环境与健康风险： 生态毒性：EOPs可能对水生生物产生广泛的毒性效应，包括繁殖障碍、发育畸形、行为改变、免疫抑制等。特别是内分泌干扰物，即使在极低浓度下，也可能扰乱鱼类、两栖类等生物的性别分化和繁殖周期，导致种群数量下降。 生物累积与食物链传递：某些EOPs（如PFASs）具有高度的生物累积性，能够在生物体内长期存在，并随着食物链的升高而浓度增加，最终可能影响到人类健康。 抗生素耐药性传播：废水中存在的抗生素以及受抗生素污染的污泥，可能为耐药基因的传播和进化提供了温床，增加了耐药细菌在环境中的扩散风险，威胁人类健康。 人类健康风险：长期饮用或接触含有EOPs的水，可能导致一系列健康问题，包括内分泌紊乱、生殖系统疾病、免疫系统紊乱、某些癌症风险增加等。虽然许多EOPs的直接毒性尚在研究中，但其“鸡尾酒效应”和长期低剂量暴露的累积效应令人担忧。 面对这些挑战，开发和应用新型、高效的处理技术，以期更彻底地去除EOPs，减少其对环境和人类健康的影响，已经成为环境科学和工程领域的紧迫任务。 第四章：去除新兴有机污染物的新兴处理技术 由于传统废水处理工艺在去除新兴有机污染物（EOPs）方面存在显著不足，近年来，科研人员和工程界积极探索和开发了一系列新型、高效的处理技术。这些技术通常通过物理、化学或生物手段，协同作用，以期更彻底地去除EOPs。 4.1 高级氧化工艺 (Advanced Oxidation Processes, AOPs) AOPs的核心是通过产生高活性的自由基（如羟基自由基·OH）来氧化降解有机污染物。由于·OH的氧化还原电位极高，能够非选择性地氧化大多数有机物，因此对多种EOPs具有良好的去除效果。常见的AOPs包括： 臭氧氧化 (O3)：臭氧是一种强氧化剂，可以直接氧化许多有机物，或与水中的其他物质（如H2O2）反应生成·OH。在合适的条件下，臭氧对PPCPs、某些农药和染料有较好的去除效果。 紫外线/臭氧 (UV/O3)：结合了臭氧的氧化性和紫外线的激发作用，能更有效地产生·OH。 紫外线/过氧化氢 (UV/H2O2)：过氧化氢在紫外线照射下分解产生·OH，是一种有效的AOPs。 芬顿反应 (Fenton) 及其改良技术：芬顿反应利用Fe2+和H2O2在酸性条件下产生·OH。其改良技术如改进芬顿（改进pH、催化剂）、类芬顿（使用其他过渡金属）等，提高了处理效率和适用范围。 电化学氧化：通过电极直接氧化或间接产生氧化剂来降解污染物，具有能耗相对较低、易于控制等优点。 催化高级氧化：如TiO2光催化、过硫酸盐活化等，通过引入催化剂提高自由基的产率和稳定性，或直接利用催化剂的氧化还原能力。 AOPs的挑战：尽管AOPs效率高，但也存在一些挑战，如成本较高、可能产生副产物、对某些难降解物质（如PFASs）效果有限，以及需要优化运行参数以达到最佳效果。 4.2 膜处理技术 膜技术通过物理屏障实现污染物与水分离，在去除EOPs方面表现出巨大潜力。 纳滤 (Nanofiltration, NF) 和反渗透 (Reverse Osmosis, RO)：这两种膜的孔径极小，能够有效截留大多数具有一定分子量的EOPs，特别是PPCPs、激素、农药等。RO的截留率通常高于NF。 超滤 (Ultrafiltration, UF) 和微滤 (Microfiltration, MF)：其孔径相对较大，对大分子有机物和胶体有去除作用，但对小分子EOPs的去除效果有限，可能作为预处理步骤。 膜技术的挑战：膜污染（fouling）是影响膜技术效率和寿命的关键问题，需要有效的预处理和清洗策略。同时，高压运行（RO）会增加能耗，并且膜浓缩液的处理也是一个挑战。 4.3 活性炭吸附 (Activated Carbon Adsorption) 活性炭（包括粉末活性炭PAC和颗粒活性炭GAC）是一种常用的吸附材料，对多种疏水性有机污染物具有良好的吸附能力。 PAC：可以灵活地添加到现有工艺中，作为一种经济有效的补充处理方法。 GAC：常用于固定床吸附，能够长期有效地去除水中的EOPs，特别是PPCPs、PFASs等。 活性炭吸附的挑战：活性炭的吸附能力有限，需要定期再生或更换。对于亲水性较强的EOPs，其吸附效果会降低。此外，活性炭的吸附选择性以及再生过程中的二次污染也需要考虑。 4.4 生物强化与生物催化技术 虽然传统生物法对EOPs效果不佳，但通过引入特异性微生物、酶或优化生物反应器设计，可以增强生物去除EOPs的能力。 生物强化：筛选或培育能够降解特定EOPs的微生物菌株，并将其引入废水处理系统。 生物催化：利用酶（如氧化酶、脱卤酶）或全细胞催化剂来降解EOPs。 高级生物反应器：如生物膜反应器（MBR）、序批式反应器（SBR）等，通过优化运行条件和提供更长的停留时间，可能提高对某些EOPs的去除率。 生物技术的挑战：EOPs的结构多样性意味着需要多种微生物或酶的协同作用。生物过程的去除效率受环境条件（温度、pH、营养盐）影响较大，且可能产生中间降解产物。 4.5 组合工艺 在实际应用中，单一技术往往难以完全解决EOPs问题。因此，将多种技术组合使用，发挥各自优势，是目前最具前景的EOPs去除策略。例如： AOPs + 膜技术：AOPs预处理可以提高膜的截留率和减少膜污染；膜技术则可以截留AOPs处理不完全的EOPs或其转化产物。 活性炭吸附 + AOPs/膜技术：活性炭吸附可以去除部分EOPs，减少后续AOPs或膜技术的负荷；AOPs或膜技术则可以处理活性炭吸附饱和后的废水或再生过程中产生的问题。 生物法 + AOPs/膜技术：生物法作为预处理，去除大部分易降解有机物，减轻后续高级处理的负荷；AOPs或膜技术处理剩余的难降解EOPs。 选择最适合的EOPs处理技术或组合工艺，需要综合考虑污染物种类、浓度、水质、成本、能耗以及当地的法规要求等多种因素。 第五章：污泥中新兴有机污染物的处理与处置 污泥是废水处理过程中的重要产物，由于其对有机物的吸附特性，使得新兴有机污染物（EOPs）在污泥中的浓度往往高于废水。污泥中EOPs的存在不仅影响其安全处置，更可能通过土地施用、填埋等途径进入土壤、地下水甚至食物链，造成二次污染。因此，污泥中EOPs的处理与处置是环境管理中的一个重要环节。 5.1 污泥中EOPs的赋存特征 富集与高浓度：相较于进水，EOPs在污泥中的浓度可提升数十倍甚至数百倍。这与EOPs的疏水性、分子量以及在活性污泥上的吸附能力有关。 多样性与复杂性：污泥中EOPs的种类与进水中EOPs的种类基本一致，但其形态和转化状态可能更复杂。 与污泥组分的结合：EOPs并非独立存在，而是与污泥中的有机质、无机物、微生物细胞等紧密结合。这种结合方式影响其迁移性和生物可利用性。例如，强疏水性EOPs容易与污泥中的有机质结合，而亲水性EOPs可能更多地存在于污泥水相或与无机颗粒结合。 稳定性：污泥中的EOPs在厌氧或好氧环境中，由于微生物活动或化学反应，可能发生一定程度的转化或降解，但也可能保持稳定甚至被转化为更难降解的形态。 5.2 污泥处理对EOPs的影响 不同的污泥处理工艺对EOPs的去除或转化效果差异显著： 浓缩与脱水：浓缩和脱水过程主要去除水分，EOPs会随之富集在剩余的固相中，其浓度进一步升高。此过程对EOPs的化学结构影响不大。 好氧消化：在高氧条件下，部分EOPs可能发生生物降解。然而，对于许多难降解EOPs，好氧消化效果有限，甚至可能转化生成其他产物。 厌氧消化：在缺氧环境下，一些EOPs可能会被降解，但速度通常较慢，且可能产生挥发性有机物。厌氧消化过程中，一些EOPs的结构可能会发生变化。 化学氧化（如臭氧、H2O2）：可以有效降解多种EOPs，但成本较高，且可能产生有毒副产物。 热处理（如干化、焚烧）：高温可以破坏EOPs的化学结构，实现较高的去除率。例如，焚烧可以将大多数有机污染物彻底矿化。然而，焚烧过程需要严格控制，防止产生二噁英等二次污染物，并可能导致部分EOPs以气态形式逸出。 稳定化（如石灰稳定法）：主要是通过调节pH和增加固相来减少病原体和气味，对EOPs的去除效果不显著。 5.3 污泥处置方式与EOPs的风险 污泥的最终处置方式直接关系到EOPs的二次环境风险： 土地施用：如果污泥未经有效处理，或EOPs去除不彻底，将其作为土壤改良剂施用，EOPs会进入土壤，可能被植物吸收，或随雨水径流进入地表水，或渗入地下水。其中，PFASs等持久性污染物在土壤中长期存在，对土壤生态和地下水构成长期威胁。 填埋：填埋过程中，EOPs可能随渗滤液泄漏，污染土壤和地下水。部分EOPs可能在填埋场内发生转化。 焚烧：焚烧是有效降解EOPs的方式，但需要专业设备和严格的排放控制，以防止有害气体排放。焚烧产生的灰渣仍需妥善处理。 建材利用：将污泥作为建材原料（如砖、水泥），EOPs可能被固化在建材中，降低其迁移性。但长期稳定性仍需评估。 5.4 针对污泥中EOPs的减控策略 源头控制：从源头上减少EOPs进入废水系统，是减轻污泥EOPs污染最根本的途径。 选择性去除技术：在废水处理阶段，优先采用能够有效去除EOPs的技术（如AOPs、膜技术），减少进入污泥的EOPs总量。 优化污泥处理工艺：选择能够有效降解或稳定化EOPs的污泥处理工艺，如先进的氧化技术、高温干化或焚烧。 污泥的资源化利用：在确保安全的前提下，研究污泥的资源化利用途径，如通过能源化（沼气提纯）或材料化（建材）来处理污泥，同时考虑EOPs的迁移转化。 环境风险评估：对不同污泥处理和处置方式下的EOPs环境风险进行科学评估，为政策制定提供依据。 总而言之，污泥中EOPs的问题复杂且影响深远，需要结合废水处理、污泥处理与处置全过程进行系统性地考量和管理。 第六章：结论与展望 新兴有机污染物（EOPs）已成为全球环境和公共健康领域不容忽视的挑战。它们来源广泛，结构多样，在传统废水处理工艺中去除效率低下，大量存在于废水排放水和处理后的污泥中。这些污染物即使在痕量水平，也可能对生态系统和人体健康造成长期、潜在的危害，包括内分泌干扰、生物累积、抗生素耐药性传播等。 本文对EOPs在废水和污泥中的存在、迁移、转化以及潜在风险进行了系统性的探讨。我们认识到，传统的废水处理技术已不足以应对EOPs的挑战，这促使了对高级氧化工艺（AOPs）、膜处理技术、活性炭吸附以及生物强化技术等新兴去除技术的研发和应用。这些技术通过物理、化学或生物手段，为更彻底地去除EOPs提供了新的可能，而组合工艺的出现，更是为实际应用提供了更为灵活和高效的解决方案。 然而，EOPs的研究和管理仍面临诸多挑战。污泥作为EOPs的富集场所，其处理和处置方式的选择至关重要，直接关系到EOPs的二次环境风险。简单的土地施用或填埋，可能将EOPs引入土壤和水体，构成长期威胁。因此，需要开发更有效的污泥处理技术，甚至考虑源头削减，以减少EOPs进入污泥。 未来的研究方向与展望： 1. 深化EOPs的毒理学与生态毒理学研究：尽管已识别出大量EOPs，但许多物质的长期低剂量暴露效应、混合效应（“鸡尾酒效应”）以及对不同生物群落的影响仍需深入研究。 2. 开发更经济、高效的EOPs去除技术：特别是针对“永久性化学品”PFASs等，需要开发突破性的去除或降解技术。同时，降低现有先进技术的成本，提高其在不同规模污水处理厂的应用可行性。 3. 污泥中EOPs的原位转化与稳定化技术：研究如何在不增加额外处理步骤的情况下，优化污泥处理过程，促进EOPs的原位降解或稳定化，减少其对后续处置环节的风险。 4. EOPs的监测与评估体系建设：建立更完善的EOPs环境监测网络，开发低成本、高通量的监测方法，并结合风险评估，为EOPs的环境管理和风险管控提供科学依据。 5. 政策法规的完善与协同：加强国际合作，推动EOPs的风险评估和管理策略的统一，完善相关环境法规，促进EOPs的源头削减和负责任的处置。 6. 污泥资源化利用与EOPs安全考量：在探索污泥资源化利用（如能源化、材料化）的同时，必须将EOPs的安全问题置于核心地位，确保资源化产物不对环境和人体健康构成威胁。 总之，应对新兴有机污染物的挑战，是一项长期而艰巨的任务，需要科研人员、工程师、政策制定者和公众的共同努力。通过不断的技术创新和管理优化，我们可以逐步降低EOPs对我们赖以生存的环境和健康的影响，迈向一个更可持续的未来。

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