【大家之言】水环境中PPCPs类新型污染物监测及控制技术展望 ——污染物监测平台、污染源头识别、末端控制
本期导读
姜蕾
上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司
高级工程师，主要从事饮用水应用技术研发，重点研究领域为新型有机污染物等环境污染监测与控制、水环境污染物的生态与健康风险分析与评估等。曾获上海市企业管理现代化创新成果二等奖1项、优秀科技论文奖项3项，已授权发明专利3项，参与编制地方标准1项，发表国内外学术论文近20篇，承担或参与国家和地方科研课题10余项，其中包括国家水专项“太湖流域上海饮用水安全保障技术集成与示范”、上海市重点课题“饮用水典型微量有机污染物监测与控制关键技术研究”、上海市青年科技启明星计划“青草沙水源水中抗生素的分布特征与生态风险研究”等。
随着分析检测技术的进步和人们认知水平的提高，一类新型痕量有机污染物——药物和个人护理品（Pharmaceuticals and Personal Care Products，PPCPs）在世界范围内受到了广泛重视，之所以称其为新型污染物，主要因为是新近出现的、或之前就有但认识有限。近年来，欧美等不少国家已经对水环境中PPCPs的残留、环境行为和归宿展开了广泛研究，相比之下，我国对于水环境中PPCPs的研究起步较晚、报道也有限，亟待开展更深入的研究。
1 水环境中PPCPs类新型污染物的来源
水环境中常见的PPCPs主要包括各种处方药、非处方药（如抗生素、消炎药、镇静剂及显影剂）、化妆品、食品添加剂、兽药、保健品和其他个人护理品及其代谢产物等。其迁移途径如日常所用的化妆品中的PPCPs会随着洗漱、游泳等途径排入到环境水体中；医药品经人体或动物摄入后，仅少部分得以代谢，大部分未完全代谢的药品会随着尿液或粪便排入污水中；在农业或畜牧业中，为了加快农作物以及家禽家畜的快速生长、避免虫害等，常会使用大量PPCPs（农药类），药物会通过雨水冲刷随农业径流最终进入地表水和地下水，成为了PPCPs进入水环境的途径之一；除此以外，制药、轻化工等领域生产废水中PPCPs的浓度极高，如无法得到妥善处置，也是PPCPs进入水环境的重要途径；被当做固体废弃物丢弃的药品以及污水处理过程中吸附了PPCPs的污泥最终会进入垃圾填埋场，在其填埋过程中，PPCPs类污染物可能会随着垃圾渗滤液流入地表水和地下水中，对部分地区的饮用水源水质安全可能带来隐患。
由此可知，水环境中PPCPs类污染物的来源十分广泛。虽然PPCPs类新型污染物在水环境中的浓度非常低（ng/L ~ μg/L），但是其具有很高的稳定性、难以降解，会通过食物链和食物网不断富集，对生态环境和人类健康会造成威胁。目前，美国环境保护署（EPA）和欧盟水框架指令已将一些PPCPs类污染物列为优先控制污染物，而在我国，PPCPs类污染物的主要排放源仍存在争议，毒性机理也尚不明确，标准制定、排污主体的监管、控制技术的研发仍处于探索阶段。因此，掌握水体中PPCPs的存在水平，优化现有检测方法，开发预警技术和控制平台，提高污水处理厂中PPCPs类污染物的去除效果，成为了当前水环境治理所关注的热点问题。
2 PPCPs类新型污染物监测
2.1 加强新型污染物分析检测体系建设
目前，PPCPs类污染物的分析检测手段主要依赖于气相色谱-质谱联用（GC-MS）和高效液相色谱-质谱联用技术（HPLC-MS）。在PPCPs类污染物的分析检测中，极性强、不易挥发、亲水性的物质（如双氯芬酸、咖啡因、阿司匹林等）一般采用HPLC-MS检测；而极性弱、易挥发、憎水性的第二类物质（如多环芳香族碳氢化合物等）一般采用GC/MS检测。
检测平台和标准体系是开展监测工作的基础。我国目前水质监测部门整体呈现“检测方法落后于检测技术发展”的现状，没有充分利用现代检测仪器的效率和优势，加之由于缺乏足够标准指引，PPCPs类新型污染物的监测工作尚未全面展开，我国对于水环境中PPCPs污染特征的监测数据积累较少，并且现有的数据因缺乏统一的检测标准，可比性较差。因此，为进一步推进PPCPs相关监测和研究的开展，极有必要加强PPCPs类污染物的分析检测技术研究以及快速检测方法的开发，开展新型污染物检测体系建设，同时，推进相关检测标准的制定和实施，这将是该领域的一项重要工作，为PPCPs类污染物监测和控制提供基础技术支持和规范依据。
2.2 加强流域新型污染物监测
PPCPs污染物在不同水环境中的污染特征和地区人口数量、生活水平、用药习惯、畜牧养殖密度等因素有关，并存在较大差异。由于上述因素在一定程度上决定了区域的污染排放特征，因此，在污染物分析检测体系建设的基础上，针对性地加强我国重要流域水环境的科学、持续性新型污染物环境监测研究，并通过建立信息网络实现特定污染物的动态监测，可更直观地反映水体中PPCPs的污染状况。例如，建立流域水环境新型污染物数据库，通过分析获得该地区水环境中浓度较大、持久性较强、毒性较大的“优先控制药物”作为重点研究对象；结合分析检测数据，建立大数据模型，开展模拟实验研究典型PPCPs类污染物在水体中的来源、迁移与归趋，摸清污染源头以达到合理有效的治理，为污染控制和去除提供有效的科学依据。同时，通过分析监测数据，深入开展水环境中新型污染物分子标志物研究，建立PPCPs类污染物预警系统，以更好地为公众健康服务。
2.3 加快建立环境风险评估平台及相关研究
随着经济社会发展和科技进步，各种新型化合物层出不穷，许多化合物在大量生产应用前缺乏严格、长期的环境风险评估，待人们意识到这种化合物及其代谢产物存在巨大生态风险时，它们可能已经对生态系统和人类健康造成了负面效应，因此，针对PPCPs污染物建立环境风险评估平台显得尤为迫切。
加强新型污染物及其污染降解产物的毒理学研究。PPCPs（尤其是药品）主要作用于生物体内特定的细胞分子或代谢过程，大部分物质呈现低浓度下的慢性毒性作用，多种污染物共存的复合毒性作用更是不可忽视，因此基于新型污染物的低浓度、复合污染特征，研究其毒性效应和作用机理，是正确认识其健康风险和饮用水水质标准修订的基础。PPCPs类污染物除了母体物质具有毒性以外，国外研究还发现，某些PPCPs类新型污染物降解产物的生物毒性较母体更大，而我国目前对PPCPs类新型污染物的检测大部分局限于污染物母体，在降解产物方面的研究需要深入开展，在明确污染物母体毒性效应的基础上，探明降解产物的理化性质及其生态毒性，为污染控制与去除提供科学依据。
除此以外，进一步研究污染物的迁移途径、转化规律及去除机理，将更有助于环境风险评估平台的建立。现阶段我国学者对PPCPs类污染物的研究重点是目标污染物在处理工艺单元中的存在水平及各工艺对污染物的去除效率，而鲜有针对具体去除机理及影响条件展开研究，同时由于缺乏相关去除机理的模型，不能对水处理系统中PPCPs类污染物质的迁移转化进行准确判断。因此，加强水环境中PPCPs类新型污染物的迁移、转化、富集等复杂环境行为研究，继而开展污染物源头跟踪也是今后一个重要的发展方向。
3 PPCPs类新型污染物源头识别与控制
城市污水处理厂出水排放是PPCPs类污染物向水环境迁移的一个主要途径，也是控制PPCPs环境影响的关键。我国目前建成的城市污水处理工艺的重点放在有机物、氮、磷等常规污染物的去除，传统污水处理工艺（如活性污泥法等）对PPCPs这类低浓度、富集性、有生物毒性的有机污染物的去除效果有限，因此，对于污水中的PPCPs类新型污染物还应该加强深度处理工艺的开发和源头治理，尽可能减少这类污染物进入自然水体。
3.1 末端深度处理
目前，污水中PPCPs的去除技术主要为常规处理技术（即典型的生物处理技术）和深度处理技术。由于水体中PPCPs来源广泛、种类繁多，以生物法为主体的常规处理技术受水体性质的影响较大，仅对含高浓度PPCPs的废水有较好处理效果，而对低浓度PPCPs的去除效果不明显，出水中仍能检测到一定量PPCPs。因此对于污水中存在PPCPs隐患的污水厂，有必要进行深度处理。现有深度处理技术主要包括混凝絮凝技术、高级氧化技术、膜处理技术、吸附技术、人工湿地技术以及相关联用技术，相关特征如表1所示。
表1 PPCPs深度处理技术
PPCPs深度处理技术
优点
缺点
混凝絮凝技术
操作简单、成本低
去除率低
高级氧化技术
反应速度快、处理效率高、矿化度好
处理费用高、反应条件严格、可能有有害副产物产生
膜处理技术
运行稳定、经济节能、抗冲击负荷等
成本高、膜污染
吸附技术
吸附量高、应用简单、无副产物
成本较高
人工湿地技术
成本低、易维护、处理效果好
占地面积大
由表1可知，为更有效降低水体中PPCPs残余浓度，除了继续改进现有的PPCPs深度处理工艺技术以外，联用技术也是目前处理水体中PPCPs的新方向。利用不同技术的组合来弥补单一技术的缺陷，形成经济、高效的处理技术将成为未来研究的主要方向。
3.2 源头控制
从源头开展新型污染物的控制，将污染物截留和控制在水环境之外，是降低污染风险的最重要手段，相比较于成本较高的工艺技术，源头控制能起到事半功倍的环境效益。可通过建立PPCPs类新型污染物的监测体系，涵盖污水处理厂、医院、养殖业等，完善相关政策、规范和监督制度，在源头上有效控制PPCPs新型污染物的排放，降低环境污染。除此以外，科普宣传可以提高全社会对新型污染物危害的认知，减少不必要的药物使用，科学处置废弃药物和生活护理品。
除此以外，利用稳定同位素技术识别水体中PPCPs类污染物源头，能弥补传统方法识别污染源过程中的缺点，其应用前景十分广阔。针对目前研究现状，为保证PPCPs类污染物的识别精确度，还需要进一步优化并提出新的识别技术，目前已有学者正着手开展这一方面的研究，这也有助于进一步推动稳定同位素技术的应用与发展，加速PPCPs类污染物在来源识别能力方面的进展。
讨 论
隋倩
华东理工大学资源与环境工程学院副教授，硕士生导师
PPCPs的污染来源多种多样，但无论来源哪里，进入水环境后PPCPs的浓度都非常低，给PPCPs的去除带来了较大的难度。所以，如果能识别区域水环境中PPCPs的主要排放源，有的放矢地在PPCPs进入受纳水体前进行有效地去除，将对降低区域水环境由PPCPs引发的风险，改善水环境起到事半功倍的效果。区域水环境中PPCPs的溯源研究近年来刚刚起步，现有的研究大多通过监测天然水体中的指示性PPCPs，辅助判断天然水环境样品受生活污水、畜牧养殖废水、工业废水、垃圾渗滤液等PPCPs主要排放源的污染程度。尽管这一溯源方法尚处于研究阶段，有一些不成熟的地方，但相信通过不断的方法改进和优化，将对识别天然水环境中PPCPs排放源及其贡献，削减PPCPs向天然水环境的排放起到积极的作用。
崔长征
华东理工大学资源与环境工程学院副教授，硕士生导师
抗生素在不同环境介质中频繁检出，且在低浓度仍具有明确的生物学效应，是PPCPs中最受关注的一类化合物，但目前对抗生素引起的抗性微生物、抗性基因的潜在生态风险和健康风险重视不够。环境中长期存在的低浓度抗生素能够诱导微生物具有较高的抗生素耐药性，引起微生物具有对抗生素耐药的抗性基因能够在不同种属的细菌或致病细菌间水平转移，甚至环境中出现对多重抗生素具有抗性的“超级致病细菌”，一旦人体接触到这种超级致病细菌其潜在健康风险不容忽视。因此，针对抗生素、抗性微生物和抗性基因的生态和健康风险评价方法，在废水、固体废物中的排放标准和饮用水水质标准的制定，以及能够同时高效、彻底地去除技术等相关领域开展研究显得非常迫切。
吴国华
岛津企业管理（中国）有限公司，上海市场部经理，工学博士，质谱工程师
PPCPs大都以痕量浓度存在于环境中，为了高效率、准确地定量分析PPCP多种类的化合物，需要一种迅速且高灵敏度地同时分析多种化合物的分析手段。由于PPCPs具有化合物种类多、来源广、含量低等特点，质谱作为一种高通量、高灵敏度、定性强的检测手段，最适合用于PPCPs的检测。特别是由于PPCPs多为极性化合物，具有定性能力强、能对上百种化合物同时分析的串联四极杆液相色谱质谱联用仪（LC-MS/MS）是最好的手段。实践证明，LC-MS/MS可检测1~10000 ng/L的多种PPCPs，在有效认知并应对2012年三氯卡班三氯生事件和2015年抗生素等事件中，发挥了重要的作用。LC-MS/MS在PPCPs检测中的应用，也有助于在发生危害人类健康之前及早发现问题，如果联合使用超高效液相色谱（UHPLC）与超快速质谱（UFMS），可以在约10分钟以内实现PPCPs多组分快速检测。
编
辑
札
记
药物和个人护理品是当代人类生产生活中的必需品，其造成的水污染问题不容小觑，现阶段国内已在PPCPs环境影响方面展开系列研究。姜蕾高工长期从事饮用水应用技术的研发，并在饮用水典型微量有机污染物监测与控制方面进行了长期研究，通过分享其对新型污染物监测与控制研究中的一些理解和观点，抛砖引玉，希望有更多业界同仁关注饮用水安全、关注PPCPs污染物的环境影响，在不断探索中寻找到更适合我国国情的水质监测之道。
“同臣环保杯”第二届《净水技术》优秀论文奖候选推荐启动
“同臣环保杯”第二届《净水技术》优秀论文评奖活动近日正式启动，本届论文评奖活动共分为读者推荐、网络票选、专家函审、专家终审、网上公示五个环节，评选出本届优秀论文的一、二、三等奖，并同时产生优秀组织奖和优秀读者奖，分享总额4万元的奖金奖励。
评奖范围
所有刊登于2016年《净水技术》杂志上的原创性论文（含增刊）共192篇，可登陆官网查询2016年候选论文目录
目前阶段
读者推荐（即日-2017.1.20）
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