## 中文标题 暴雨水输入对污水处理厂出水元素及有机污染物特征的影响研究

《RSC Advances》：Stormwater impacts on the elemental and organic contaminant profiles of wastewater effluentOpen Access

　　

## 专业术语翻译摘要
暴雨水输入能够显著改变废水出水的化学组成，然而其对广泛新兴污染物（ECs）的影响仍了解不足。本研究调查了美国东北部一座中等城市污水处理厂（WWTP）中暴雨水对处理废水出水的影响，该市部分区域采用合流制下水道，且当流量超过一定阈值时，部分废水绕过二级处理直接排放。无机分析结果表明，在潮湿天气条件下，铜、铁和磷的浓度呈天气依赖性升高。靶向有机分析共检出19种化合物，包括药物、农药及其他类别，其中10种化合物在降雨事件期间浓度显著升高。基于大型蚤（Daphnia magna） immobilization 的预测无效应浓度（PNEC）进行的单一和累积风险评估显示，潮湿和干燥天气废水中的靶向分析物均对水生生物构成慢性生态风险。其中，苯菌灵（carbendazim）的风险最高，实测浓度超过无效应浓度100倍以上。此外，非靶向分析揭示了湿、干天气样品之间显著的组成差异，有1191个检测特征在降雨事件中增加，少数减少。这凸显了受暴雨水影响的出水具有高度复杂性和变异性，并对出水排放的生态影响以及废水回用具有重要启示。总体而言，本研究强调了在废水监测与评估中考虑暴雨水驱动变异性的重要性。

## 论文解读文章

### 研究背景与目的

污水处理厂（WWTPs）在保护地表水水质方面发挥着至关重要的作用，通过去除市政和工业废水中的污染物和病原体后再排入受纳水体。然而，尽管处理技术不断进步，处理后的出水中仍含有种类繁多的化学污染物，这些污染物来源于家庭、商业和工业活动。在常规处理过程中，许多未受监管的污染物并未被完全去除，它们被释放到地表水中，可能对生态系统和人类健康造成潜在危害。近年来，新兴污染物（ECs）因其广泛存在和潜在生物活性而受到越来越多的关注，其涵盖药物、个人护理产品和内分泌干扰化合物等天然和合成化学品。此外，无机元素（包括金属和营养物质）也构成了废水出水化学复杂性的另一类污染物。

处理废水（TWW）的组成存在高度变异性，通常归因于工业和家庭活动变化、WWTP功能和能力以及天气条件。在美国许多地区和全球范围内，暴雨水通过合流制下水道基础设施以及无意渗入卫生下水道网络进入污水系统。虽然大量暴雨水流入可能稀释市政废水中的污染物，但它也在短时间内引入了额外的关注化学品，如来自城市地表、道路、大气沉降、肥料和其他非点源的污染物。此外，大暴雨可能超出WWTP的处理能力，降低处理效率。因此，在潮湿天气期间，进水组成和出水质量都可能发生显著改变。然而，相对较少的研究系统地评估了暴雨水如何影响TWW出水的污染物特征。以往的研究往往集中于数量有限的化合物或特定的污染物类别，同时考虑有机微污染物和无机元素的综合评估仍然有限。许多现有研究主要依赖靶向分析方法，聚焦于预先定义的污染物列表，可能忽略了废水出水中存在的未知或意外化合物。鉴于这些研究空白，本研究旨在调查美国东北部一座中等城市WWTP在湿天气事件期间TWW出水组成的变化。

### 研究设计与技术方法

研究人员从一座服务约20万人口、处理能力为40 MGD（百万加仑/天）的中型二级处理厂采集废水（WW）样品。处理工艺包括初步格栅和除砂、初沉、带有生物脱氮（BNR）的常规活性污泥（CAS）处理、二沉以及氯消毒后排放，典型水力停留时间约16小时。当流量超过约60 MGD时，该处理厂开始使部分出水绕过二级处理，允许其直接从沉砂池流至消毒系统后排入地表水。研究人员于2022年4月至2023年1月期间，在降雨（湿）和干燥天气下使用自动采样器进行了24小时采集。每次降雨事件中收集三个复合出水样品，分别对应于降雨前（低流量，复合样A）、初次冲刷（暴雨开始时流量上升前后3小时，复合样B）和降雨期间（流量升高的剩余时间，复合样C）。配对干燥天气样品在约一周内以相同时间间隔采集，共采集了5对（5次降雨事件和5个干燥日）。其中两次湿天气采样（第3次和第5次）的流量超过了60 MGD的旁通阈值（分别为97.2和90.3 MGD）。

本研究采用了三种主要分析技术。第一，无机元素分析采用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES），样品用70%硝酸酸化至最终浓度为2%（v/v），以钇为内标，分析涵盖26种元素。第二，有机靶向分析采用液相色谱-高分辨率质谱（LC-HRMS），对70种选定的有机污染物（包括药物、农药、抗生素、轮胎磨损化学品等）进行定量分析，样品经固相萃取（SPE）富集后进样。第三，非靶向分析（NTA）同样基于LC-HRMS数据，使用Compound Discoverer软件处理，包括峰对齐、峰提取、分子式分配和基于mzCloud库的化合物鉴定。风险评估采用风险商（RQ）方法，基于大型蚤（Daphnia magna）的慢性毒性数据——无可观察效应浓度（NOEC），结合欧洲化学品管理局（ECHA）指南中的评估因子（AF=100）计算预测无效应浓度（PNEC），进而评估单一和累积生态风险。

### 研究结果

#### 3.1 废水出水的元素特征

研究人员分析了26种元素，其中15种被检出。铜（Cu）、铁（Fe）和磷（P）的浓度表现出天气依赖性变化。铜浓度在降雨开始前约为4 μg L?1，在初次冲刷3小时内显著升高至约10.8 μg L?1，随后在流量升高的剩余时间降至平均7.4 μg L?1。铁表现出类似趋势，同样在初次冲刷期间显著升高后下降。磷水平在初次冲刷期间有所增加但未达显著水平，随后在剩余流量期间大幅上升至约2260 μg L?1。干燥天气各复合样之间Cu、Fe和P浓度无显著差异。铜和铁早期升高可能来自沉积物含量增加，而磷的增加可能归因于高废水流量处理效率降低以及降雨期间进入下水道的肥料径流增加。尽管湿天气下Cu和Fe浓度显著增加，但仍低于美国环保署和世界卫生组织公布的饮用水浓度上限。值得注意的是，湿天气样品中的磷浓度超过了推荐的排放限值（1000–2000 μg L?1），表明湿天气排放事件具有特定的富营养化风险。其他检测到的元素，包括Al、B、Ca、K、Li、Mg、Mn、Na、Ni、S、Si和Zn，未观察到天气依赖性效应。Ag、As、Cd、Ce、Co、Cr、Mo、Pb、Sb、Se和Ti的浓度低于检测限。钠的平均浓度约为200 ppm，相对较高，可能增加水体盐度，对淡水生态系统产生负面影响。

#### 3.2 废水出水中的有机分析物

##### 3.2.1 靶向有机分析物

研究共检出19种靶向有机分析物，包括11种药物、6种农药、1种工业化学品和1种个人护理产品。无论天气条件如何，初次冲刷样品（B湿）与降雨期间样品（C湿）之间无显著差异，但初次冲刷样品表现出高变异性。因此，后续分析集中于降雨前（复合样A）和降雨期间（复合样C）的比较。在19种化合物中，10种在降雨事件中浓度显著升高，包括5种药物（卡马西平、可待因、苯海拉明、左啡诺和氯沙坦）和5种农药（甲萘威、苯菌灵、克百威、杀线威和敌草隆）。在降雨采样事件中，9种化合物在降雨期间（C湿）相比降雨前（A湿）浓度升高，3种在湿天气与配对干天气比较中表现出显著的天气依赖性增加。干燥天气期间复合样A和C之间无显著差异。基于慢性毒性的风险商（RQ）评估表明，19种分析物中，左啡诺在干燥天气处于中等风险（RQ = 2.16），湿天气升至高风险（RQ = 14.53）。苯菌灵（carbendazim）具有最高风险商，干燥天气RQ为151，湿天气达到272，属于极高风险。苯并三唑（一种降雨稳定分析物）的RQ为1.25，属于低风险。其余分析物被归为可忽略至无风险。累积风险评估（浓度相加模型）显示，降雨响应型混合物的总RQ在干燥天气为154，湿天气为290，而降雨稳定型分析物的总RQ为2.61。这表明废水出水对水生生物构成显著风险，湿天气下风险进一步升高。

##### 3.2.2 有机化学品的非靶向分析

非靶向分析（NTA）工作流程在空白扣除后初步识别出2691个特征。主成分分析（PCA）显示样品组之间存在明显分离，PC1和PC2共解释约77%的总方差。干燥天气样品（包括A湿）紧密聚集，降雨期间样品（C湿）也聚集并明显区别于其他复合样，但C湿样品随时间存在差异，可能归因于采样季节不同。初次冲刷样品（B湿）分布较广，表明其异质性更高，与首次径流的化学组成受降雨时机、强度、前期干燥期长度等因素影响一致。火山图分析显示，当比较C湿与C干时，共有1191个化合物在湿样品中丰度显著升高，而仅86个化合物在干天气中丰度较高。其中162个特征被置信鉴定（采用Schymanski等级1和2a级别），划分为降雨响应型（84种化合物）和降雨稳定型（78种化合物）。在降雨响应型化合物中，内源性代谢物和药物（包括药物代谢物）合计占检出化学品的85%以上；而在降雨稳定型化合物中，超过62%为药物。NTA结果确认了14种靶向分析物的检出。

### 结论与讨论

研究人员开展的靶向和非靶向分析结果一致表明，湿天气事件显著增加了处理废水中相当一部分有机污染物的浓度和丰度。降雨期间污染物浓度的增加与现有文献一致，可能归因于暴雨径流引入的污染物（包括生物杀灭剂和杀虫剂）、下水道系统中先前干燥期积累的沉积物中有机污染物的解吸、以及部分出水绕过二级处理直接排放。持久性化合物（如卡马西平、苯海拉明和敌草隆）在环境中难以降解，可能在废水收集系统中积累并在流量增加时被动员出来。值得注意的是，靶向分析物中5/6的检出农药在降雨事件中浓度升高，这可能反映了来自户外经农药处理区域的暴雨径流贡献。在非靶向结果中，降雨响应型内源性代谢物数量是降雨稳定型的两倍以上，这与降雨期间二级处理被旁通、有机物未充分降解的观察相吻合。

本研究也存在一些局限性。由于软件限制，NTA数据未进行内标归一化，导致部分靶向化合物在NTA中被归入不同类别，这表明NTA可能低估了降雨敏感性。此外，本研究使用正离子模式电喷雾电离（ESI），可能对优先在负离子模式下电离的化合物检测灵敏度较低或无法检出。固相萃取和甲醇洗脱条件偏向中等疏水性化合物，因此NTA中的未检出不应解释为化合物不存在。另外，由于未采集进水样品，无法确定观察到的出水浓度升高主要是由暴雨水输入带来的污染物负荷增加、二级处理旁通导致的去除率下降、还是两者共同作用所致。

本研究的结论具有重要的环境意义。暴雨水影响的废水出水应被视为事件驱动的复杂污染物混合物来源，而非平均状态。湿天气条件下出水中营养物质、金属、农药、药物和转化产物同时出现的现象，凸显了将废水出水作为动态混合物进行评估的必要性。个体和累积风险评估结果显示，湿、干天气废水中均存在高风险，且湿天气风险显著增加，特别是来自苯菌灵的风险。这意味着敏感的淡水水生生物可能受到慢性毒性影响。这些发现对废水回用和湿天气管理也具有启示意义：以干燥天气或常规采样为主的监测项目可能低估污染物的变异性和峰值负荷。随着许多地区极端降水事件日益频繁，理解暴雨水输入、入流入渗和处理旁通对出水水质的影响，对于废水基础设施规划、受纳水体的保护和污染物管理至关重要。