超越目标分析：多评估方法在确定再生水化学水质中的效益

《Water Research》：Beyond Targets: Benefits of a Multi-Assessment Approach in Determining Chemical Water Quality for Water Reuse

　　

高级处理可去除有机微污染物（organic micropollutants, OMPs），但残余效应仍然存在。使用过的颗粒活性炭（granular activated carbon, GAC）通过降低所观察到的效应和特征而改善水质。在陶瓷膜过滤（ceramic membrane filtration, CMF）后观察到氧化应激（oxidative stress）较低。非靶向筛查（non-target screening, NTS）检测到氧化引入的特征，其可被后续处理去除。多评估方法提升了用于水回用的化学水质评估。

论文解读：超越目标分析——多评估方法在确定再生水化学水质中的效益

水资源短缺影响约55%的全球人口每年至少一个月，且预计未来增加。水回用成为应对缺水、缓解常规淡水压力的重要选择。处理过的废水（treated wastewater, TWW）是相对稳定水源，受极端天气影响较小，符合可持续发展目标和欧盟水韧性策略，可用于农业、工业及饮用水回用。但其回用面临法规、公众担忧和水质挑战。有机微污染物（organic micropollutants, OMPs）因常规污水处理厂（wastewater treatment plants, WWTPs）去除不足而尤其影响TWW质量，是回用障碍。OMPs如农药和全氟和多氟烷基物质（per- and polyfluoroalkyl substances, PFAS）具潜在（生态）毒性、持久性和迁移性；其转化产物（transformation products, TPs）也可能具危害。常规目标监测列表窄，许多OMPs未常规监测，尤其回用时风险被忽视。为此，研究人员整合目标分析、效应导向方法（effect-based methods, EBMs）和非靶向筛查（non-target screening, NTS），以评估先进处理链。该论文发表于《Water Research》。

研究在荷兰Wervershoof市政WWTP的中试厂开展，以WWTP出水（WWTP-E）为进水，处理链包括O₃、O₃/H₂O₂高级氧化（advanced oxidation, AO）、陶瓷膜过滤（ceramic membrane filtration, CMF）和颗粒活性炭（granular activated carbon, GAC）。研究人员采用目标化学分析、体外生物测定电池和NTS，评估TWW综合化学风险及可行回用应用。

关键技术方法：中试位于荷兰Wervershoof市政WWTP，处理能力5 m³/h，进水为WWTP-E。处理链为O₃，后改为AO，再接CMF，2022年7月19日后加GAC；GAC曾使用12年、约200000床体积。2022年7—10月抓取1—2 L四重复样品，采集WWTP-E及各处理步骤，设现场空白，pH调至3，-20°C保存。固相萃取（solid-phase extraction, SPE）浓缩净化；Oasis HLB用于化学和除PFAS外生物测定，Oasis WAX用于PFAS生物测定。目标及非目标分析用UHPLC-TIMS-HRMS；NTS用patRoon和OpenMS。生物测定为CALUX：Nrf2、PXR、Cytotox、PAH、ERα、PFAS。风险评估用风险商（risk quotient, RQ）和效应基触发值（effect-based trigger, EBT），数据分析用R。

3.1 目标分析——测得OMP浓度和去除：目标分析检测44/60种化合物，主要农药和药品，24/60在所有样品中检出。总OMP浓度沿处理链下降，主要由O₃/AO驱动；CMF后5/6天浓度增加。线性混合效应模型显示处理后浓度显著低于进水（p<0.001），但O₃、AO、CMF、GAC间无显著差异（p>0.05）。多数分析物去除≥50%，27/44在GAC后≥80%；但GAC后部分化合物浓度高于前序处理，研究人员推测与已吸附化合物解吸有关；全处理总OMP浓度下降68—91%。

3.2 非目标分析——检测和去除的特征：总特征、疑似物和TPs数量总体略降，个别步骤增加，强度保持恒定。完全去除特征占三分之一至超过一半；新发现特征为第二大比例，提示去除物可能转为持久中间体。O₃/AO去除24%和26%特征，但引入新特征比例最高（38%、44%）；CMF和GAC新特征为12%和15%，可能分别源于基质效应和解吸。CMF和GAC能有效去除前序氧化形成的特征（20%、24%），GAC总体去除最高。TP筛查表明目标OMP不能准确评估命运，如venlafaxine在O₃显著去除时仍检出8个额外潜在TPs。

3.3 生物测定——检测效应：所有测定均成功并检出效应，WWTP-E效应最强（PXR>PFAS>PAH>ERα），沿处理链减弱。O₃/AO去除大部分生物活性；GAC后效应下降。Nrf2和Cytotox在O₃/AO后最强，CMF可大幅去除，可能因去除悬浮固体和颗粒结合疏水OMPs，膜孔径0.1 μm。PXR效应有效降低；ERα BEQ为2.6 ng L^-1，PAH BEQ为0.5 μg L^-1，PFAS BEQ在WWTP-E为4 μg L^-1，处理中PFAS去除有限。

3.4 基于目标分析的潜在风险：多数RQ<1，但20种化合物RQ≥0.1。全处理后总RQ为17—21，生态风险不能排除；venlafaxine和fipronil因低PNEC影响较大。GAC后多种化合物仍RQ>0.1；WWTP-E中venlafaxine、O-desmethylvenlafaxine、propranolol、diclofenac曾RQ>1，处理后降至<1；fipronil始终超PNEC。人类健康风险除两种外可忽略；MCPA在WWTP-E超过饮用水指导值100 ng L^-1，但10倍稀释后无即时风险。TPs是监测盲点，若评估更多TPs风险可能更高。

3.5 基于生物测定的潜在风险：所有测定在WWTP-E显示表面水和饮用水潜在风险，且沿处理链持续超过EBT。PXR在WWTP-E所有采样日超EBT。EBT不严格适用于废水，而用于地表和饮用水；按直接回用保守评估。假设10倍稀释，高级处理后除饮用水PXR外无风险；PXR需27倍稀释。即使稀释，WWTP-E对受纳水环境仍构成风险，说明高级处理必要。

4 多评估方法评估水回用的益处：是否足够取决于回用用途和法规。目标分析提供基础，但单独不能评估可回用性，扩展目标列表不能保证检测特定场景OMPs或解释生物测定响应。目标分析、NTS、EBM组合在本研究中互补：目标分析评估OMP指导值，NTS识别氧化后出现且可被CMF/GAC去除的特征，EBMs显示CMF后氧化应激下降及处理中效应和风险。整合仍困难，NTS未常规实施，工作流未协调，数据量大且多为定性或半定量，需未来最佳实践。

5 研究局限：OMP回收率中等和基质效应影响浓度；NTS特征生态毒理相关性需进一步工具；单中试单WWTP、夏秋抓取样品，未捕捉季节和处理变异；未考虑水力停留时间，处理配置不在同一天，O₃与AO不可直接比较；未分析溴酸盐和N-Nitrosodimethylamine等氧化副产物；结果转移有限。

6 结论翻译：应用多评估方法相较仅依赖目标分析的传统评估具有明显优势，因为水质和处理性能研究考虑了安全水回用的所有相关方面，尤其风险评估扩展至覆盖混合物效应。基于该多评估方法，研究人员得出结论：不推荐未经高级处理的TWW回用。