在台式规模的臭氧-土壤含水层处理过程中，肠道病毒以及药品和个人护理产品的灭活效果

《Science of The Total Environment》：Enteric virus and pharmaceutical and personal care product attenuation in a bench-scale ozone-soil aquifer treatment process

本研究通过实验室和现场模拟，评估了臭氧-土壤含水层处理（O3-SAT）对药物和个人护理产品（PPCPs）及诺如病毒等病原体的去除效果，发现臭氧结合土壤微生物降解和吸附机制可显著提升处理效率，并验证了间歇性渗滤条件下的处理可行性。

　　

Madeline R. Carine|Lin Li|Krishna R. Pagilla

内华达大学里诺分校土木与环境工程系，美国内华达州里诺市北弗吉尼亚街1664号，邮编89557

摘要

臭氧-土壤含水层处理（O₃-SAT）可以应用于陆地处理系统，以在利用再生水重新充注含水层之前减少药品和个人护理产品（PPCPs）以及病原体的含量。本研究通过使用反硝化出水进行了O₃-SAT的台架规模实验，以评估其对PPCPs、诺如病毒（NoV）、辣椒花叶病毒（PMMoV）、噬菌体MS2和番茄褐皱果病毒（ToBRFV）的去除效果。氨化作用后跟随硝化作用，证明了微生物降解在土壤柱中去除污染物中的作用。臭氧处理能有效将诺如病毒的遗传标记物氧化至检测限以下（>4 log去除值），同时也能去除PPCPs。指示病毒在臭氧处理过程中的氧化程度有限（ToBRFV和MS2）或几乎不存在（PMMoV）；因此，在整个处理过程中，微生物降解和吸附机制是实现约2 log去除值的主要因素。PPCPs的去除效率因化合物而异，可分为以下三类：1. 易被氧化和降解的；2. 中等程度可氧化和降解的；3. 难以被氧化和降解的。对于像磺胺甲噁唑、甲丙氨酯、N-N-二乙基-m-甲苯酰胺和扑米酮这类难以处理的化合物，臭氧处理与单独的生物吸附（SAT）相比，提高了整体的O₃-SAT去除效果。先前吸附在土壤中的卡马西平因土壤中的历史浓度或浓度梯度的变化而发生解吸。这些结果表明，O₃-SAT在提高各种操作条件下水资源再利用系统的处理效果方面具有潜力。

引言

由于人口增长、城市化和气候变化，水资源短缺和资源分布不均问题日益严重。应对这些挑战需要有效的废水回收技术以实现水资源的再利用。为了生产符合严格饮用水标准的出水，先进的水处理技术能够去除顽固污染物（包括病原体）和新兴关注的污染物（如药品和个人护理产品[PPCPs]）。多屏障处理方法较为常见，其中基于反渗透和基于碳的处理技术尤为有效（Schmitz等人，2024；Snyder等人，2007；Sundaram和Pagilla，2020；Teel等人，2022a）。然而，反渗透技术存在能耗高和需要处理高浓度废水的难题。相比之下，基于碳的先进处理技术结合臭氧和生物活性炭（O₃-BAC）能在较低能耗和成本下实现类似的污染物去除效果（Marron等人，2019）。尽管这些技术效果显著，但它们仍较为昂贵且需要专业操作人员（Westerhoff和Pinney，2000），使得某些社区难以实施。将臭氧处理等先进技术整合到基于自然的方法（如土壤含水层处理[SAT]）中，可能提供一种更具成本效益的替代方案。然而，这两种技术的联合性能尚未得到充分研究。

含水层管理（MAR）系统，包括SAT，已在土地资源充足的地区作为水资源管理策略使用了数十年。这些方法因经济影响小、处理效果好且社会接受度高而受到青睐（Dillon等人，2020；Gharoon和Pagilla，2021）。SAT利用自然降解过程，通过空气-水界面或固-水界面的物理化学吸附作用以及生物膜群落（如生物转化或相互作用）将污染物滞留在非饱和带（从地表延伸至地下水位以下的区域）（Bradford和Torkzaban，2008；Vandana等人，2023）。通常，处理后的水或再生水会被排放到扩散池中——一个天然或人工设计的低洼区域，从而促进其渗透到含水层。SAT系统已被证明能有效去除多种常规废水处理难以处理的污染物，包括病原体（如肠道病毒）和化学污染物（如PPCPs、消毒副产物和微量营养物质）（Gharoon和Pagilla，2023；Sallwey等人，2020；Trussell等人，2018）。系统性能受水文地质条件、进水水质以及渗透率和间歇渗透比等操作因素的影响。

在实地应用中，SAT在间歇性渗透（即干湿循环）条件下运行，这种条件会导致氧化还原状态波动，从而影响微生物群落的组成，使非饱和带中的寡营养菌类占优势（Gao等人，2025；Gharbia等人，2024）。渗透过程中氧气和营养物质迅速消耗，形成厌氧环境促进反硝化作用；干燥期则重新引入氧气，支持硝化作用（Wu等人，2019）。这些循环还有助于长期运行过程中防止物理、化学和生物堵塞。鉴于先进处理后的废水中含有多种有机物和溶解成分，评估间歇性渗透对污染物去除效率至关重要。

臭氧作为强氧化剂，在先进水处理中发挥着重要作用，能有效去除病原体和化学污染物。Gerrity等人（2011）在试点规模的O₃-BAC系统中观察到，在0.8 mg臭氧/mg TOC的剂量下，多种PPCPs的去除效果达到了方法检测限以下（例如阿替洛尔、卡马西平、氟西汀、萘普生），部分难以处理的化合物（如三（2-羧乙基）膦[TCEP]和扑米酮）的去除效果也达到95 ± 0.8%和99 ± 0.4%。除了化学污染物，臭氧还与微生物相互作用，可能破坏细胞壁、蛋白质外壳和核酸，并干扰其代谢功能（Costa和Féris，2023）。试点规模的臭氧处理实验表明，诺如病毒（NoV）的去除效果可达4 log，而辣椒花叶病毒（PMMoV）和番茄褐皱果病毒（ToBRFV）等植物源病毒的去除效果可达2–3 log，具体取决于臭氧剂量和接触时间（de Carvalho Costa等人，2024）。

在含水层管理（MAR）系统中，臭氧处理能增强氧化还原波动，从而提高PPCPs的去除效果。Hellauer等人（2017）比较了臭氧处理和曝气处理的效果，发现臭氧对卡马西平、坎地沙坦和奥美沙坦等顽固化合物的去除效果更佳。作者还观察到，无论是曝气还是臭氧处理都能促进氧化环境和寡营养菌类的生长，从而有利于PPCPs的去除。Kim等人（2019）报告称，在O₃-MAR和O₃/H₂O₂-MAR系统中，35种PPCPs的去除效果接近方法检测限。臭氧处理还能减少所需处理土地面积，适用于城市或土地资源有限的地区（Regnery等人，2017）。目前关于O₃-SAT对更广泛污染物（如病毒及其指示物）的处理效果以及间歇性渗透对处理效率的影响的研究还较少。

鉴于O₃-SAT系统在氧化和去除顽固PPCPs方面的有效性，需要进一步研究以评估其对各种水资源再利用相关污染物的去除效率，并探讨其操作方面的问题。本研究旨在评估O₃-SAT系统对肠道病毒、PPCPs以及本土病毒的去除效果。实验采用了特定地点的土壤、来自全规模废水处理厂的再生水以及间歇性渗透循环来模拟实际操作条件。通过水质参数（如氮化合物和有机碳）来评估目标污染物的去除情况，以了解地下环境中的养分循环，并验证微生物降解的作用。研究结果将为O₃-SAT的处理能力和实际应用中的操作考虑提供依据。

样本收集

样本取自美国内华达州沃肖县斯帕克斯市的Truckee Meadows废水处理厂，该厂每天处理约118,000立方米的家庭废水。该厂采用增强型生物除磷活性污泥工艺处理碳和磷酸盐，随后通过三级硝化和反硝化工艺去除氮（Lacroix等人，2020）。

操作参数

监测了总凯氏氮（TKN）、NO_x（NO₃^?和NO₂^?的总和）和溶解有机碳（DOC），以了解土壤柱内的变化情况。表1总结了土壤柱中TKN和NO_x的变化情况。TKN的减少伴随着NO_x的产生，表明发生了氨化作用后继之以硝化作用。SAT柱中TKN的平均减少量为1.8 ± 1 mg-N/l，而连续渗透和间歇渗透的O₃-SAT柱中分别为2.0 ± 2 mg-N/l和2.0 ± 1 mg-N/l。

结论

本研究旨在评估O₃-SAT作为去除PPCPs、肠道病毒以及常见病毒和化学指示物的方法的有效性，特别是在目标污染物难以在再生水中检测到的情况下。通过实验室规模的臭氧处理和随后的非饱和土壤柱实验来评估去除效率，模拟了地下非饱和带中的污染物去除过程。实验采用了无进水条件和有进水条件的间歇性渗透条件。

CRediT作者贡献声明

Madeline R. Carine：撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验设计、数据分析、概念构建。Lin Li：审稿与编辑、数据验证、概念构建。Krishna R. Pagilla：审稿与编辑、数据验证、项目监督、资金筹集、概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究期间，Madeline R. Carine是内华达大学里诺分校土木与环境工程系的博士候选人，Lin Li是同一学院的Research Scientist，Krishna R. Pagilla是内华达大学里诺分校土木与环境工程系的Ralph & Rose Hoeper基金会教授兼内华达水资源创新研究所（NWII）主任。