Возникающие загрязнители являются химическими веществами и микроорганизмами, которые обычно не контролируются в окружающей среде, но они несут в себе потенциал для неблагоприятного воздействия на здоровье человека и экосистемы. Эта разнообразная группа включает фармацевтические препараты, продукты личной гигиены, разрушающие эндокринную систему соединения, пестициды и промышленные химикаты. Их растущее обнаружение в потоках сточных вод стало критической проблемой для водоочистных сооружений во всем мире, поскольку традиционные методы очистки могут быть недостаточными для их удаления. Понимание того, как эти загрязнители взаимодействуют с процессами вторичной очистки сточных вод, имеет важное значение для защиты качества воды и общественного здравоохранения.

Понимание вторичной очистки сточных вод

Вторичная очистка сточных вод представляет собой биологическую стадию процесса очистки после первичной осадки. Его основная цель состоит в удалении растворенного и взвешенного органического вещества, питательных веществ, таких как азот и фосфор, и патогенов. Эта стадия опирается на естественные микроорганизмы, которые потребляют органические загрязнители в контролируемых условиях. Наиболее распространенные системы включают активированный ил, фильтры для просачивания, вращающиеся биологические контакторы и реакторы биопленки движущегося слоя (MBBR).

Активированные системы осадков аэрируют сточные воды для содействия росту микробного флока, который метаболизирует органический материал. Фильтры для обмеления используют слой среды, такой как камни или пластик, по которому стекают сточные воды, позволяя микробным биопленкам разрушать загрязняющие вещества. МББР объединяют процессы взвешенного роста и биопленки с использованием небольших пластиковых носителей, которые обеспечивают площадь поверхности для биопленки, сохраняясь в суспензии путем аэрации. Каждая система имеет свои эксплуатационные параметры и уязвимости при воздействии возникающих загрязняющих веществ.

Вторичная обработка предназначена для достижения стандартов качества сточных вод, которые снижают биохимическую потребность в кислороде (BOD) и суммарные взвешенные твердые вещества (TSS) до уровней, безопасных для сброса в естественные водоемы или для дальнейшей усовершенствованной обработки. Однако присутствие следовых органических соединений и других возникающих загрязняющих веществ может нарушить этот тонкий биологический баланс.

Природа возникающих загрязнителей

Возникающие загрязнители можно разделить на несколько групп в зависимости от их происхождения и химической структуры.

  • Фармацевтические препараты и средства личной гигиены (ППХП): Включает антибиотики, анальгетики, гормоны, солнцезащитные средства и ароматизаторы. Они выводятся или смываются и поступают в канализационные системы.
  • Эндокринно-разрушающие химические вещества (EDC): Такие как бисфенол А (BPA), фталаты и нонилфенолы, которые мешают гормональным системам в дикой природе и людях.
  • Пер- и полифторалкильные вещества (PFAS): Используются в неприклеенных покрытиях, пенопластах для тушения пожаров и водостойких текстильных изделиях. Они чрезвычайно стойкие и биоаккумулятивные.
  • Пестициды и промышленные химикаты: Включая гербициды, инсектициды, пластификаторы и антипирены.
  • Наноматериалы и микропластик: крошечные частицы из потребительских продуктов и промышленных процессов, которые могут переносить другие загрязнители.

Многие из этих соединений не регулируются действующими стандартами качества воды, и их долгосрочное воздействие на экосистемы и здоровье человека все еще изучается. Они часто присутствуют в следовых концентрациях (нг/л-мкг/л), что затрудняет как обнаружение, так и удаление.

Влияние на вторичные процессы лечения

Вмешательство в биологическую деятельность

Микроорганизмы в системах вторичной обработки являются рабочими лошадками деградации органических веществ. Однако многие возникающие загрязняющие вещества биологически активны по своей конструкции. Антибиотики, например, могут избирательно ингибировать или убивать чувствительные виды бактерий, изменяя структуру микробного сообщества. Это может снизить способность системы обработки удалять БПК и питательные вещества, что приводит к ухудшению качества стоков.

Было показано, что антимикробные соединения, такие как триклозан (когда-то распространенный в мыле), снижают скорость нитрификации в активированных осадочных растениях. Нитрифицирующие бактерии особенно чувствительны к токсическим шокам от фармацевтических остатков. В исследовании, опубликованном в Экологические науки и технологии , сообщалось, что некоторые нестероидные противовоспалительные препараты (НПВП) могут ингибировать микробное дыхание, что приводит к более медленным темпам деградации и более высоким уровням БПК сточных вод. Со временем микробные сообщества могут переходить к более устойчивым видам, но эта адаптация может достигаться за счет общей эффективности лечения.

Упорство и проблемы удаления

Многие возникающие загрязнители непостоянны, то есть они сопротивляются биодеградации во время обычной вторичной обработки. Соединения ПФАС, например, имеют сильные углеродно-фторные связи, которые нелегко разрушаются обычными биологическими процессами. Исследования показывают, что активированные системы осадка обычно удаляют менее 50% многих типов ПФАС, причем более короткие ПФАС часто более стойкие, чем длинноцепочечные. Аналогично, карбамазепин (противосудорожный) и сульфаметоксазол (антибиотик) часто проходят вторичную обработку почти неповрежденными, обнаруживаясь в стоках и принимающих водах.

Сохранение этих соединений вызывает обеспокоенность по поводу их накопления в окружающей среде. Даже при низких концентрациях хроническое воздействие может вызвать эндокринные нарушения у рыб и других водных организмов. Кроме того, присутствие антибиотиков в стоках может способствовать развитию устойчивых к антибиотикам бактерий и генов устойчивости, что является растущей угрозой для общественного здравоохранения, признанной Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ).

Некоторые загрязняющие вещества также могут превращаться в более токсичные метаболиты во время биологической обработки. Например, некоторые ароматы, такие как синтетические мускусы, могут быть преобразованы в более стойкие и биоаккумулятивные формы. Это усложняет оценку риска и демонстрирует, что простое измерение удаления исходного соединения может не охватывать весь риск.

Последствия для обработки и удаления шлама

Возникающие загрязнители не только влияют на жидкий поток; они также могут разделяться на осадок (биозолиды), образующийся во время вторичной обработки. Гидрофобные соединения, такие как триклозан, BPA и некоторые пестициды, как правило, адсорбируются на твердую фракцию. Когда биосолиды наносятся на сельскохозяйственные угодья в качестве удобрения, эти загрязняющие вещества могут попадать в почву, поглощаться культурами или выщелачиваться в грунтовые воды. Правила для биосолид часто не учитывают эти возникающие загрязняющие вещества, создавая потенциальный путь для воздействия человека и экологического вреда.

Кроме того, присутствие антимикробных агентов в иле может препятствовать анаэробным процессам пищеварения, используемым для стабилизации осадка, сокращения производства биогаза и увеличения эксплуатационных расходов. Операторам может потребоваться скорректировать время удержания или выполнить шаги предварительной обработки для смягчения этих эффектов.

Тематические исследования и исследовательские выводы

В нескольких исследованиях было задокументировано реальное воздействие новых загрязнителей на вторичную обработку. В ходе всестороннего обзора, проведенного в рамках исследования воды, были проанализированы данные более 100 очистных сооружений (WWTP) в Европе и Северной Америке. Было установлено, что, хотя обычный активированный ил может удалять более 80% некоторых соединений, таких как ацетаминофен и кофеин, показатели удаления диклофенака и карбамазепина были ниже 30%. Фильтры для триклинга, как правило, показали более низкую эффективность удаления для многих фармацевтических препаратов по сравнению с активированными системами осадка.

В другом исследовании, проведенном на WWTP в Швеции, изучалось влияние антибиотиков на нитрификацию. Исследователи отметили, что всплески концентрации ципрофлоксацина коррелировали с временными падениями эффективности удаления аммиака, требующими химических добавок для поддержания соответствия. Такие события могут увеличить эксплуатационные расходы и риск нарушений.

Удаление микропластика во время вторичной обработки также является растущей областью исследований. Исследование, проведенное в Университете Торонто, показало, что активированные процессы осадка удаляют примерно 90% микропластиков из влияющего вещества, но оставшиеся 10% (которые могут составлять миллиарды частиц в день) сбрасываются в приемные воды. Кроме того, микропластики могут адсорбировать другие загрязняющие вещества, действуя как векторы для токсичных соединений.

Сохранение ПФАС привело к усилению контроля со стороны регулирующих органов. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) разработало рекомендации по охране здоровья для некоторых ПФАС в питьевой воде и рассматривает более строгие ограничения на сброс сточных вод. Недавние исследования показывают, что обычная вторичная обработка достигает минимального удаления ПФАС, при этом баланс массы часто не показывает значительного ухудшения, а только разделение между жидкой и твердой фазами.

Стратегии смягчения

Продвинутые процессы окисления (AOPs)

Для преодоления ограничений биологической обработки многие объекты интегрируют передовые процессы окисления либо в качестве третичного шага, либо непосредственно в рамках вторичного курса обработки. АОП, такие как озон (O3) в сочетании с пероксидом водорода (H2O2), ультрафиолетовым (УФ) фотолизом и реакциями Фентона, генерируют высокореактивные гидроксильные радикалы, которые могут разрушать даже самые стойкие органические загрязнители. Озонирование доказало свою эффективность для удаления многих фармацевтических препаратов и эндокринных разрушителей, но оно может производить побочные продукты, которые требуют дальнейшей обработки. Затраты и потребности в энергии остаются барьерами для широкого распространения, но последние достижения в технологии УФ-ЛЭД снижают эксплуатационные расходы.

Технологии адсорбции

Активированный уголь, как в порошкообразных (PAC), так и в гранулированных (GAC) формах, широко используется для адсорбции органических загрязнителей. PAC можно дозировать непосредственно в активированный илажный бассейн, интегрируя с существующей биологической обработкой. Фильтры GAC, часто размещаемые после вторичного уточнения, обеспечивают этап полировки, который захватывает остаточные следовые соединения. Исследования показывают, что активированный уголь может удалять более 90% многих фармацевтических препаратов и пестицидов, хотя необходимо управлять расходами на насыщение и регенерацию. Альтернативные адсорбенты, такие как биоуголь и ионообменные смолы, также исследуются для конкретных классов загрязняющих веществ, таких как PFAS.

Мембранные биореакторы (MBR)

Мембранные биореакторы сочетают биологическую обработку с мембранной фильтрацией (микрофильтрацией или ультрафильтрацией). Мембрана сохраняет биомассу и твердые частицы, что позволяет увеличить концентрацию биомассы и увеличить время удержания осадка - условия, способствующие росту медленно растущих бактерий, способных разрушать непокорные соединения. МБР продемонстрировали улучшенное удаление многих фармацевтических препаратов по сравнению с обычным активированным осадком. Однако, инфуляция мембран и потребление энергии остаются проблемами. Продолжающиеся исследования новых мембранных материалов и стратегии контроля загрязнения улучшают возможность МБР для нового удаления загрязняющих веществ.

Оптимизация процессов и биоаугментация

Корректировка эксплуатационных параметров может повысить устойчивость биологических процессов. Увеличение времени удержания осадка (SRT) позволяет микроорганизмам больше времени адаптироваться и деградировать медленно биоразлагаемые соединения. Поддержание более высоких уровней растворенного кислорода и оптимизация соотношения питательных веществ также поддерживают микробное здоровье. Биоаугментация - добавление конкретных микробных штаммов с известными возможностями деградации - показала многообещающие результаты в лабораторных исследованиях для таких соединений, как хлорированные растворители и некоторые пестициды. Однако полевые применения сталкиваются с проблемами в создании и поддержании введенных штаммов в конкурентной среде.

Контроль источника и предварительная обработка

В первую очередь, предотвращение попадания новых загрязнителей в системы сточных вод является экономически эффективной стратегией. Это может включать программы возврата фармацевтических препаратов, ограничения на использование определенных химических веществ в потребительских товарах (например, запрет микрогранул в косметике) и требования к промышленной предварительной обработке. Больницы и отрасли промышленности, которые выгружают большие количества фармацевтических препаратов или химических веществ, могут потребоваться для установки систем очистки на месте. Общественные образовательные кампании о надлежащей утилизации лекарств и бытовой химии также играют роль.

Часто необходимо сочетание этих подходов. Возможно, потребуется внедрить многобарьерную систему, которая включает биологическую обработку, АОП и адсорбцию для эффективного управления разнообразным спектром возникающих загрязнителей.

Рамки регулирования и мониторинга

Современные стандарты

Большинство стран регулируют обычные загрязнители в стоках сточных вод, такие как БПК, ТСС и питательные вещества, но немногие имеют конкретные ограничения для новых загрязнителей. Европейский союз через свою Рамочную директиву по воде включил в свой контрольный список определенные приоритетные вещества, такие как диклофенак и некоторые гормоны, требуя от государств-членов контролировать их. В Соединенных Штатах нет федеральных правил для фармацевтических препаратов в сточных водах, хотя некоторые государства начинают решать ПФАС. Правило EPA по нерегулируемому мониторингу загрязняющих веществ (UCMR) периодически исследует системы питьевой воды для новых загрязняющих веществ, но это напрямую не регулирует сброс.

Без регуляторных драйверов коммунальные службы могут не иметь финансирования и стимулов для модернизации процессов очистки. Однако растущие доказательства экологического вреда в сочетании с давлением общественности подталкивают регуляторы к рассмотрению новых стандартов. В 2021 году Европейская комиссия предложила пересмотреть Директиву по очистке городских сточных вод, которая включает требования по удалению микрозагрязнителей и повышению энергоэффективности.

Будущие направления

Достижения в аналитической химии, такие как жидкостная хроматография-тандемная масс-спектрометрия (LC-MS/MS), теперь позволяют обнаруживать загрязняющие вещества в чрезвычайно низких концентрациях. Это позволяет проводить более полный мониторинг и оценку риска. Однако скрининг на все возможные загрязняющие вещества непрактичен. Ведущий подход заключается в использовании мониторинга на основе эффекта - измерение биологической активности стока (например, эстрогенность), а не количественное определение каждого отдельного соединения. Это может идентифицировать токсикологически релевантные смеси и направлять модернизацию лечения.

В настоящее время изучается возможность разработки нормативных рамок в направлении более целостных подходов, основанных на оценке рисков, с учетом совокупного воздействия смесей загрязнителей, а также использования стандартов качества окружающей среды (СОС), адаптированных к конкретным условиям.

Взгляд в будущее

Возникающие загрязнители представляют собой сложную и развивающуюся проблему для процессов вторичной очистки сточных вод. Их способность вмешиваться в биологическую обработку, сохраняться в обычных процессах и накапливаться в окружающей среде требует активного реагирования. Наиболее эффективные стратегии сочетают контроль над источниками, оптимизацию процессов и передовые технологии, такие как АОП, активированный уголь и мембранные биореакторы. Продолжение исследований судьбы и последствий этих соединений в сочетании с адаптивными правилами будет иметь важное значение для защиты качества воды и общественного здравоохранения.

Коммунальные службы должны также учитывать экономические и энергетические компромиссы. Обновления для продвинутой обработки могут быть дорогостоящими, а энергетические потребности таких технологий, как озонирование и УФ, могут противоречить целям сокращения выбросов углерода. Новые решения, такие как солнечные АОП, биологическое удаление ПФАС с использованием конкретных ферментных путей и интеллектуальные системы мониторинга, которые предсказывают загрязняющие нагрузки, предлагают многообещающие пути вперед.

Сотрудничество между исследователями, инженерами, регулирующими органами и общественностью является ключевым. Оставаясь в курсе последних результатов и инвестируя в устойчивую инфраструктуру очистки, водный сектор может опережать возникающий прилив загрязняющих веществ и обеспечивать безопасность очищенных сточных вод для окружающей среды и для повторного использования.

Для дальнейшего чтения по этой теме EPA предоставляет ресурсы по Загрязнители новой опасности , и ВОЗ опубликовала доклады о Антимикробная резистентность в сточных водах . Кроме того, академические журналы, такие как Исследования воды , регулярно публикуют рецензируемые исследования по технологиям смягчения последствий и экологической судьбе.