《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Pilot-Scale Continuous UVC and UVC/PDS Treatment for Municipal Wastewater: From Reuse to Environmental Discharge
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摘要专业翻译
本研究在中试规模的管式膜光反应器中，以连续流模式评估了单独UVC光解和UVC活化过二硫酸盐（UVC/PDS）对两种真实市政污水基质——三级处理后的市政污水（MWW）和纳滤浓水（NFR）的处理性能。对于MWW，UVC/PDS在[PDS]=2.4 m
摘要专业翻译
本研究在中试规模的管式膜光反应器中，以连续流模式评估了单独UVC光解和UVC活化过二硫酸盐（UVC/PDS）对两种真实市政污水基质——三级处理后的市政污水（MWW）和纳滤浓水（NFR）的处理性能。对于MWW，UVC/PDS在[PDS]=2.4 mM时去除了高达93%的目标微污染物，而单独UVC仅去除52%。对于NFR，UVC/PDS在[PDS]=3.6 mM时实现了约90%的去除率。UVC处理使可培养细菌（总肠杆菌、大肠杆菌、耐磺胺甲噁唑肠杆菌和肠球菌）降至检测限以下，而PDS的加入增强了对可扩增基因靶点（16S rRNA、intI1、sul1）的削减。初步成本估算表明，NF+NFR氧化组合的成本为0.024-0.025 � mg-1（以初始MWW计），低于直接处理MWW的0.045 � mg-1。研究表明，将UVC/PDS应用于NFR是一种经济可行的策略，可同时实现微污染物降解、微生物灭活和抗性基因削减，从而支持安全的水回用和环境排放。
论文解读文章
一、研究背景与问题
市政污水处理厂（MWWTP）是保护水生环境和保障水安全的关键屏障。然而，传统处理工艺难以有效去除微污染物和新兴污染物，导致MWWTP成为这些物质进入水环境的重要点源。尽管其浓度处于痕量水平，但持续排放会造成慢性暴露和生态风险。为此，欧盟近期通过了第2024/3019号指令，要求大型污水处理厂逐步实施四级处理，对一组指示性物质实现至少80%的平均去除率。同时，该指令强烈推动处理后市政污水的回用，并引入了对抗菌素耐药性（AMR）的监测要求。
抗菌素耐药性已成为21世纪最紧迫的全球公共卫生威胁之一，废水系统被认为是抗生素耐药菌（ARB）和抗生素抗性基因（ARGs）的储库和潜在传播途径。因此，亟需能够同时处理化学和微生物污染物的综合处理策略。
在众多高级处理技术中，纳滤（NF）可有效截留大部分微污染物和微生物，产生可用于农业回用的高质量渗透液，但同时会产生富含溶解性有机物、盐分、微污染物和微生物的浓水（NFR）。若不经适当处理，NFR构成了管理难题：膜分离只是分离而非破坏污染物。高级氧化工艺（AOPs）则可通过高活性自由基转化污染物。UVC照射可灭活微生物，而与过二硫酸盐（PDS）联用时，可同时促进直接光解和PDS活化，生成硫酸根自由基（SO4•–）等活性物种，氧化持久性微污染物和细胞组分。然而，关于连续流中试规模UVC/PDS处理真实废水的研究仍然有限。
本研究旨在填补这一空白，在多重屏障水回用框架下，评估UVC和UVC/PDS对两种真实废水流的连续处理性能：（i）MWW的四级处理；（ii）NF过程中产生的NFR处理。
二、研究内容与结论
研究人员开展了一项中试规模研究，采用管式膜光反应器连续处理来自葡萄牙北部某MWWTP的三级出水（MWW）及其NF浓水（NFR）。实验设置了单独UVC和不同PDS投加浓度的UVC/PDS组合处理条件，系统评估了目标微污染物去除、可培养ARB灭活、可扩增ARG靶点削减、水质变化及运行成本。结果表明，UVC/PDS对MWW和NFR中的微污染物均表现出优异的去除效果（分别达93%和90%），显著优于单独UVC。UVC可高效灭活可培养细菌，而PDS的加入进一步增强了对核酸靶点的损伤。成本分析显示，NF+NFR联合处理策略更具经济优势。该研究为实际废水处理中UVC/PDS技术的应用提供了重要的中试数据支撑。
三、关键技术方法
- 1.
中试规模管式膜光反应器：采用内嵌陶瓷超滤膜（γ-Al2O3，截留分子量20 kDa）、外套石英管的反应器，四支UVC灯（每支70 W）均匀分布，总辐射功率27.6 W。废水切向流入反应区，PDS通过多孔陶瓷膜径向渗透至反应区，实现均匀分布。
- 2.
纳滤浓水制备：利用配备NE 4040-70 NF膜的中试膜过滤单元，对MWW进行浓缩至浓度因子约2.7，再经砂滤后获得NFR。
- 3.
微污染物分析：选取17种目标微污染物（含EU 2024/3019指令中的4种指示物），采用固相萃取（SPE）结合液相色谱-串联质谱法（LC-MS/MS）定量分析。
- 4.
微生物学分析：采用膜过滤法培养计数总肠杆菌、大肠杆菌、耐磺胺甲噁唑肠杆菌和肠球菌；提取总DNA后，通过定量聚合酶链反应（qPCR）定量16S rRNA、intI1和sul1基因拷贝数。
- 5.
初步成本估算：基于实验流量条件，计算UVC能耗和PDS药剂成本，并考虑多反应器阵列的共享灯管配置，按处理体积和单位质量微污染物去除量进行归一化比较。
四、研究结果
4.1 微污染物去除
在MWW处理中，单独UVC对14种可量化微污染物的平均去除率为52%；加入1.2 mM PDS后提升至78%，2.4 mM时达到93%。在NFR处理中，由于基质更复杂且污染物浓度更高，单独UVC仅去除32%，UVC/PDS在2.4和3.6 mM PDS下分别达到71%和90%。对于EU指令中的指示物（阿米舒必利、卡马西平、厄贝沙坦、文拉法辛），UVC/PDS处理可实现接近完全去除。
4.2 微生物灭活与抗性基因削减
UVC处理使MWW和NFR中的可培养细菌（总肠杆菌、大肠杆菌、耐磺胺甲噁唑肠杆菌、肠球菌）均降至检测限以下。在基因层面，单独UVC对16S rRNA、intI1和sul1基因的削减有限（约0.5-1 log），而加入PDS后显著增强了基因靶点的衰减，在MWW中可达2-3 log的削减。这表明PDS衍生的自由基能有效损伤核酸，降低可扩增靶点的丰度。
4.3 水质参数变化
DOC去除率较低（MWW中<13%，NFR中<5%），而COD去除率相对较高（MWW中39-56%，NFR中33-43%）。UV254吸光度下降表明芳香族和不饱和结构被有效破坏，在UVC/PDS条件下衰减更为显著。
4.4 成本分析
直接处理MWW的单位成本为0.041-0.048 � m-3（0.043-0.047 � mg-1）。NF+NFR组合策略因处理体积减小，成本降至0.010-0.015 � m-3初始MWW（0.022-0.027 � mg-1），加上NF运行成本（0.10-0.15 � m-3）后仍具竞争力。敏感性分析表明，电价和PDS价格波动对成本影响有限。
五、讨论与结论
讨论部分指出，UVC/PDS对微污染物的高效去除归因于直接光解与SO4•–氧化的协同作用。NFR中更高的有机负荷和离子强度会竞争自由基，导致同等PDS剂量下效率略低，但提高PDS浓度可弥补。UVC对细菌的快速灭活源于DNA损伤，而PDS对基因靶点的额外削减则通过自由基攻击核酸骨架实现。成本分析确认了NF+NFR策略的经济可行性，其优势在于处理体积减小和污染物富集带来的效率提升。
研究结论：中试规模连续流UVC/PDS处理可有效去除MWW和NFR中的微污染物（最高93%和90%），同时实现细菌灭活和抗性基因削减。将UVC/PDS应用于NFR是一种经济有效的策略，能够在减少处理体积的同时实现高效的污染物去除和微生物控制，为水回用和安全排放提供了一种可行的技术方案。
