在全球水系中,长期存在的药物残留物是一个严重的环境和公共卫生挑战,这些微污染物从抗生素和镇痛剂到激素和精神药物,其设计具有生物活性、化学稳定性,具有对传统水处理过程的抗药性,因此,它们积聚在水生生态系统中,有助于抗微生物抗药性,并通过饮用水和食物链中的生物累积对人类健康造成潜在的长期风险。

药物微污染物日益引起关注

制药化合物通过多种途径进入水源:人类排泄、不当处置未使用的药物、农业用药的径流以及生产设施的排放。废水处理厂,即使是采用现代二级治疗的厂家,也往往只捕获一部分这些分子。 其余的进入河流、湖泊和地下水,其浓度范围从纳米到每升微克不等。 虽然这些水平较低,但长期接触复杂的混合物会扰乱水生生物的内分泌系统,损害繁殖,并助长抗生素细菌的传播。 世界卫生组织强调饮用水中的药品是一个需要主动管理的新问题。

污染源和污染途径

  • 人类和兽医排泄[:消耗的药物中很大一部分是未变的排泄物或作为活性代谢物,直接进入污水系统.
  • 不当处置:将不想要的药物从厕所中冲下或丢弃在填埋场中,造成地下水污染。
  • 工业排放:制药厂的制造废水,特别是在监管不力的地区,可含有高浓度的活性成分。
  • 农业径流:畜禽养殖中所使用的抗生素和激素浸入土壤和水体.

环境和健康影响

长期接触药物残留物与鱼类女性化(来自雌性化合物)、水生物种的行为变化以及抗微生物抗药性的加速有关——美国疾病控制和预防中心将这种威胁列为全球公共卫生优先事项,对人类而言,虽然微量药物的急性毒性很少,但关注的重点是多种化合物的累积长期影响和协同行动。

氧化还原作为高级氧化过程

臭氧的氧化涉及将一种强氧化剂臭氧气体(O3)引入受污染的水中,臭氧直接与有机分子反应,并分解形成羟基(XOH)——几乎攻击任何有机化合物的非选择性、高度反应性物种,这种双重机制使得振荡特别有利于破解顽抗性药物。

化学原则:臭氧反应

臭氧分子有选择地针对富电子的杂质,如芳香环、双联和氨基等,许多药物中常见的结构特征。反应要么将母体化合物切成较小的碎片,要么将其部分氧化成转化产物。与此同时,臭氧在水中的分解会产生进行快速、非选择性攻击的羟基。直接分解与基介质氧化之间的平衡取决于pH值:在pH值低时,直接反应占优势;在pH值高时,激进形成加速。这种灵活性允许操作人员根据目标污染物调节性能。

影响退化效率的因素

副产品及其管理

缩硫胺新 ⁇ 的缩硫酸盐可以产生具有剩余抗菌活性硝基衍生物,为此,现代的治疗方案往往会将缩硫酸盐与生物过滤(如颗粒活性碳或沙滤)配对,从而去除缩硫酸副产物和同化有机碳。

比较有效性:臭氧作用与其他方法

沉淀、凝固和氯化等常规过程对大多数药品的清除有限。 2021年的一项研究( ) 环境科学与amp;技术 报告,仅通过二级治疗,许多药物的平均清除率就低于30%。 先进的氧化替代方法效率较高,但成本和实用性各不相同。

高级氧化物替代品

  • UV/H2]O2]:对许多化合物有效,但需要高紫外线传输,可以是高耗能.
  • 芬顿反应(Fe]2+]/H2]]O2]]:酸性pH时的强氧化;生成铁污泥需要处置.
  • 光催化(TiO2]/UV]):活性但缓慢,受到光渗透和催化剂回收的阻碍.

协同组合

臭氧的增强往往通过与其他工艺结合而得到增强。 O3/H2]O2](过氧化酮]加速了基质形成,改善了耐臭氧化合物的降解。 O3/UV]]结合光解与高级氧化,进一步扩大可降解污染物的范围。这些混合系统实现了更高的矿化——有机碳转化为CO]2]-仅与氧化物相对。

实施水处理基础设施的臭氧评估

在许多欧洲饮用水和废水厂中都部署了全面的臭氧分区,北美和亚洲的兴趣也在增长。 技术已经成熟,臭氧发电机的运行能力从试点规模提高到每小时数百公斤。

设计考虑因素和费用

关键的设计因素包括臭氧发生器类型(铬排放或电解)、接触器设计(气泡柱或静态搅拌器)和气体外破坏系统。 资本成本可能很大:对于大型城市废水处理厂(每天5,000万加仑),吞噬设备可能花费500万至1,500万美元,业务开支约为每1,000加仑0.05至0.15美元,主要由电力消耗(通常为每千克O3生产)驱动。 然而,与不作为的成本相比,人们越来越认为,从环境清理、抗微生物阻抗的保健负担和监管罚款——分配成本是经济上合理的。

个案研究

饮用水:瑞士苏黎世湖水处理厂于2015年实施了臭氧/腺活性碳(GAC),实现 & gt;90%的去除包括二氯氟化物和碳巴马泽松在内的几种药物。 :Municipal废水[:瑞士杜本多夫的Neugut WWTP在使用振荡法之后,再进行沙过滤,将总药载量减少80%或更多。这些真实世界的设施表明,振荡在技术和业务上是可行的。

挑战和监管景观

尽管臭氧将某些来源水域中的溴氧化,但高能耗和设备成本仍然是较小的社区或低收入区域的障碍,人们担心当臭氧将溴化物——一种可能的人类致癌物——形成,这种风险通过认真控制剂量和pH值或随后的削减步骤而减轻,美国环境保护局[对饮用水中的溴化物进行管制,这推动了工艺的优化,此外,水中药品缺乏普遍管制限制意味着处理决定往往依赖于自愿的安全幅度或具体国家的准则。

未来展望和研究方向

正在进行的研究正在降低臭氧分解的成本和环境足迹。 臭氧分解效率、可再生能源的使用以及催化分解(使用固体催化剂加强激进生产)方面的进展将带来更高的效率。 基于紫外线吸收或荧光的实时监测技术将允许适应性臭氧分解,在确保目标清除的同时尽量减少能源浪费。 正在探索将分解与膜(臭氧生物过滤)和电化学过程相结合。 随着分析方法变得更加敏感,监管者收紧排放标准,分解很可能成为水处理工具箱的基石。

结论

臭氧化是消除水中持久性药物残留的强大、实地证明的方法。 其降解多种化合物的能力,加上与其他过程协同结合的潜力,将它定位为保护水质的关键技术。 尽管成本和副产品管理的挑战依然存在,但不断的创新和监管驱动力正在加速采用。 当今对臭氧化的投资意味着投资于更清洁的生态系统、降低抗微生物抗药性以及为子孙后代提供更安全的饮用水。