UV LED消毒效能及对废水回收过程中微污染物的影响

《RSC Advances》：UV LED disinfection efficacy and the impacts on micropollutants during wastewater recycling processesOpen Access

　　

紫外线发光二极管（UV LED）是一种新兴的创新技术，用于最终阶段的水净化和消毒，但其在废水回收中的中试规模应用仍 largely unexplored。本研究在市政污水处理厂（WWTP）的中试测试中评估了UV LED系统，证明了约2–3 log灭活的有效消毒效果。紫外线照射导致四种测试药物（萘普生、双氯芬酸、磺胺甲噁唑和环丙沙星）发生光解，观察到16–60%的降解。相反，对乙酰氨基酚（ACE）浓度在紫外线照射后增加了2–3倍，这一发现在后续的实验室实验中得到了确认，即紫外线诱导结合代谢物（已知在人类尿液中排泄）的降解。这凸显了需要改进常规环境风险评估，以考虑从结合物中释放的微污染物，这可能会显著增加对水生环境的风险。研究进一步表明，水体基质组成——尤其是有机物的存在——显著影响紫外线诱导的光化学反应。总体而言，UV LED作为处理废水回用的高效消毒技术显示出巨大潜力，但仍需进一步研究以评估其在高度复杂的废水基质中对多种微生物、微污染物及其代谢物的性能。

**论文解读文章：UV LED消毒效能及对废水回收过程中微污染物的影响**

**研究背景与问题**

水资源短缺是全球性重大挑战，推动了对先进废水回用和回收技术的需求。近期实施的法规为处理水的安全性设定了多种指标，涉及微生物污染和潜在有害微污染物。传统消毒技术（如化学消毒）存在局限性，而紫外线（UV）照射作为一种主要针对饮用水细菌、病毒和原生动物灭活的技术，在废水三级处理中也显示出抗菌效果。然而，传统汞基UV灯含有有害汞（Hg），且存在启动慢、寿命有限等问题。基于发光二极管（LED）的UV替代方案（UV LED）具有无汞、快速启动、长寿命、紧凑尺寸、易维护和可调发射波长等优点，适用于小型或分散式水系统。尽管如此，UV LED在废水消毒中的应用仍局限于小规模反应器，且鲜有研究探讨其对微污染物水平或废水毒性（包括雌激素活性）的影响。

**存在问题与开展研究的原因**

现有研究缺乏对UV LED在真实市政污水处理厂（WWTP）中试规模下效果的全面评估，尤其是与传统汞基UV灯的对比。此外，微污染物在废水处理中的去除效率波动大，且其结合代谢物（如对乙酰氨基酚-葡萄糖苷酸）可能通过生物或酶过程在活性污泥中脱结合，或通过处理而不被转化，从而对水生环境构成风险。更关键的是，UV照射可能诱导结合物释放游离药物，但这一现象在先前研究中未被充分认识。因此，本研究旨在填补这一空白，评估UV LED系统在WWTP中试规模下的消毒效能、对微污染物浓度的影响以及雌激素活性变化，并通过实验室实验阐明结合物在UV照射下的 fate。

**研究内容与结论**

研究人员在捷克布尔诺-莫德日采市政污水处理厂（WWTP）建立了中试装置，并联安装了两套商业UV LED系统（Nikkiso，峰值发射280 nm；Klaran，峰值发射271 nm）和一套传统低压汞UV灯（LP UV，254 nm）系统，处理经机械-生物处理后的废水。通过一周的连续运行，采集进水、出水样本，分析微生物指标（大肠杆菌、耐热大肠菌群、肠球菌、铜绿假单胞菌等）、13种微污染物浓度及雌激素活性。基于中试观察到的对乙酰氨基酚（ACE）浓度增加现象，进一步在实验室中使用准直光束（CB）装置，以三种UV光源（LP UV、MP UV、UV LED）照射掺有5种结合物（ACE-GLU、ACE-SULF、SMX-GLU、EE2-GLU、E2-SULF）的模型水样，探究结合物光解及游离药物释放规律。

**主要技术方法**

研究人员采用中试规模测试，于WWTP安装并联UV系统，处理实际废水（来源：捷克布尔诺-莫德日采WWTP，服务人口约64万）。消毒效能通过培养法（总活菌、大肠杆菌、耐热大肠菌群、铜绿假单胞菌、肠球菌）及刃天青还原法评估。微污染物通过固相萃取（SPE）结合液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）分析。雌激素活性采用基于人细胞系hERα-HeLa-9903的体外报告基因测定（OECD 455指南）。实验室实验使用准直光束装置，以三种UV光源（LP UV 254 nm、MP UV 多色、UV LED 275 nm）照射掺有结合物的模型水样（添加或不添加Suwannee River天然有机物，SR NOM），监测结合物降解及游离ACE释放。

**研究结果**

**UV和UV LED在WWTP的消毒效能**：中试测试表明，传统Hg UV灯对大肠杆菌、耐热大肠菌群和肠球菌的灭活最高（2.8–4.8 log），对铜绿假单胞菌较低（1.3–2.3 log）。UV LED系统灭活范围为最高4.6 log（Nikkiso，大肠菌群，1–24小时）至最低0.1 log（Nikkiso，铜绿假单胞菌，1–24小时）。Klaran UV LED（271 nm）对大肠杆菌灭活1.7–3 log，Nikkiso（280 nm）为1.2–1.5 log。两种UV LED系统在整个测试期间保持稳定性能。

**UV对废水微污染物的影响**：13种研究微污染物中，布洛芬未检出，8种浓度无显著变化。四种微污染物浓度显著降低：传统Hg UV灯使双氯芬酸（60%）、磺胺甲噁唑和环丙沙星降低；Klaran UV LED显著降低双氯芬酸（57%）和萘普生（16%）。相反，对乙酰氨基酚（ACE）在Hg UV和UV LED处理后浓度显著增加2–3倍。分析表明，未经处理的进水中存在游离ACE及其结合物（ACE-β-d-葡萄糖苷酸和ACE-硫酸盐），常规处理将这些结合物降至<10 ng L^?1，但随后UV照射导致结合物脱结合，释放游离ACE。

**实验室实验——UV对微污染物结合物的影响**：在三种UV光源下，结合物光解程度不同。MP UV灯在最高辐照度下降解大部分结合物至少20%，但ACE-SULF在有机物存在下稳定性高。SMX-GLU和E2-SULF在所有UV光源下均表现出光不稳定性，而ACE-SULF最稳定。与WWTP观察一致，UV照射导致ACE从结合物中释放，MP UV效果最显著（峰浓度约0.5 μg L^?1），LP UV和UV LED仅在最高辐照度下释放微量。有机物（OM）的添加对光解影响较小，但可能通过内滤效应或光敏化作用影响反应途径。

**UV对雌激素活性的影响**：WWTP中UV处理未显著改变雌激素活性（EEQ）。然而，实验室实验显示雌激素结合物（EE2-GLU、E2-SULF）在UV照射下发生光解，提示UV可能从结合物前体中释放内分泌干扰物，增加环境风险。

**总结与讨论**

本研究首次在WWTP中试规模下评估UV LED系统，证明其与传统Hg UV灯相当的抗菌效果。UV照射通过光解直接降解部分微污染物（如双氯芬酸），但也通过诱导结合物脱结合释放游离药物（如ACE），后者对水生环境构成潜在风险。研究强调，现行环境风险评估需考虑结合物释放的微污染物，因为最终处理步骤可能增加总体毒性。UV LED作为高效消毒技术具有潜力，但在复杂基质中对多种微生物和微污染物的性能仍需进一步研究。

**结论部分翻译**：本研究在市政WWTP的中试安装中评估了UV LED系统，证明了其与传统汞基UV光源相当的抗菌效果。紫外线照射通过母体药物的光解和紫外线诱导的母体药物（ACE）从结合物中释放，影响了微污染物水平。后者在受控实验室实验中得到证实，记录了多种微污染物结合物的降解，随后释放ACE。在宽带汞MP UV灯下效果最显著，UV LED效果较低。水体基质组成，特别是紫外线与有机物的相互作用，可能影响光化学反应，有机物根据具体化合物发挥光解抑制剂或促进剂的作用。本研究提出的新发现呼吁进一步研究以及改进监管环境风险评估，应考虑从结合物中释放的微污染物。总体而言，UV LED作为废水回收和回用中最终处理步骤的高效消毒技术显示出巨大潜力，但需进一步研究以全面表征其在复杂基质中的性能。