本文根據嘉賓發言內容整理。已經由專家本人審閱。

新污染物：內涵與外延

新污染物概述

新污染物是指那些被排放至環境中、對生態系統與人類健康構成已知或潛在威脅的化學物質，其主要來源為人類活動。由于當前相關科學研究仍不充分，這類污染物尚未被納入現有的環境監管體系，相較于已被監管的傳統污染物，屬于較新類型的環境污染物。此外，新污染物是一個涵蓋范圍廣泛的術語，主要包括化學類污染物（如持久性有機污染物、內分泌干擾物質、抗生素等）、生物性污染物（如細菌、病毒、微生物等）以及微塑料等對環境和人類健康產生重大影響的污染物。

當前，新污染物具有種類多，產量大、用途廣、風險高的基本特征。具體而言，在環境健康風險方面，主要表現為風險隱蔽性強、環境中持久性高、來源廣泛以及治理過程復雜等四個維度。盡管新污染物以微量進入環境，仍可能對人類健康、環境安全造成潛在風險和隱患。目前，我國針對新污染物的治理尚處于初始階段，鑒于而飲用水作為人體暴露于新污染物的主要途徑之一，其治理與監測顯得尤為重要。

新污染物問題不僅在我國受到關注，在全球范圍內亦日益引發廣泛重視。聯合國可持續發展目標（Sustainable Development Goals, SDGs）中的目標6（SDG 6）明確提出要確保所有人都能夠享有安全、清潔的水資源及衛生設施，并促進水資源的可持續管理。其中SDG子目標6.3進一步強調，至2030年應顯著降低水體中的污染物含量，特別是有害污染物的排放，以有效降低有毒有害化學品污染導致的死亡率和疾病發生率。此外，SDG11、SDG12、SDG14及SDG15等目標亦涵蓋了新污染物問題，這表明新污染物已成為當前人類社會所面臨的重大環境問題與挑戰之一。

新污染物特征及技術挑戰

針對水環境中新污染物的污染問題，國內外研究者已開展了廣泛的調查與評估工作，我國水系統中新污染物的污染分布表現出顯著的時空特異性。具體而言，在全國大部分地區中新污染物引起的急性風險整體較低，風險水平基本處于可控范圍內。然而，在京津冀、東部沿海及東北地區，新污染物的平均濃度水平相對較高，部分污染物濃度可超過100 ng/L，部分區域存在有一定程度的慢性生態風險。因此，為了實現飲用水中新污染物的有效控制，有必要系統評估各地水源中新污染物的賦存特征，并依據區域差異，制定因地制宜的治理與管控策略。

水作為環境介質的重要組成部分，其水源中所檢出的新污染物普遍具有濃度低、種類多樣、結構差異顯著等基本特性。同時，在凈水工藝中，這些新污染物受到多種有機和無機背景基質的競爭與干擾，從而影響其去除效率。因此，為實現飲用水中新污染物的高效去除，有必要開發與之相適應的凈化技術，并構建集成化的工藝組合策略，以增強對飲用水中新污染物水質風險的控制能力。

鑒于上述背景，我們在研究過程中聚焦于飲用水中新污染物控制策略中的三個關鍵科學問題：控制目標的確定、控制方法的選擇以及控制技術的應用并在本實驗室開展了系統而深入研究。首先，針對控制對象識別的核心問題，開展了飲用水中高風險污染物的識別及優控清單構建的研究。其次，圍繞控制策略的技術實現，對針對新污染物風險的多級屏障型凈水集成工藝展開了研究。最后，針對新污染物降解效果難以實時評估的問題，開發一種凈水工藝中對新污染物的實時監測方法，以支撐工藝優化與動態調控的技術需求。

高風險新污染物的識別——控什么？

自“十一五”規劃起，我們圍繞我國關鍵水源地水質狀況，持續開展了覆蓋全國范圍的調查與評估工作，并相繼完成三個五年計劃的階段性研究任務。在長江、黃河等我國重點流域的水源中，累計檢測出數百種新污染物，體現出污染物類型的復雜性與多樣性。盡管我國的《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2022）對部分新污染物設定了限值要求，但除了這些國標中已明列的受控污染物外，仍亟需明確哪些新污染物應作為重點關注對象。因此，本研究旨在通過高風險污染物的識別與優先控制清單的構建，以解答上述問題。

水源地新污染物的賦存與風險評估

在識別高風險污染物的過程中，首要面臨的挑戰是新污染物毒性數據的稀缺性，特別是與人群健康風險直接相關的毒理信息不足。為此，本研究選用ToxCast數據庫作為毒性評估的數據支撐。ToxCast是由美國環保署（EPA）開發的高通量化學品篩選和毒性預測數據庫，旨在評估化學物質對人體健康和生態環境的潛在風險。該數據庫基于現代高通量篩選技術，對數千種化學物質進行了系統測試，并提供了豐富且標準化的毒性數據，為污染物的健康風險評估提供了重要支撐。

在本研究的水質風險評估中，采用 ToxCast 數據庫對我國水源中潛在新污染物開展了初步篩選與毒性判定。如圖1所示，暴露活性比率（Exposure-activity ratio, EAR）是ToxCast中一種常用的分析評估的方法，用于評估化學物質的暴露量與生物活性之間的關系，該方法主要應用于化學物質的篩選過程以及潛在毒性的估算。通過EAR評估方法，研究者能夠預測在低劑量暴露條件下可能產生的生物效應，從而為后續風險精細化評估提供科學依據。有害結局路徑（Adverse Outcome Pathway, AOP）是ToxCast提供的另一項重要分析框架，該技術主要闡述了化學物質從最初的分子事件（例如受體結合）到最終導致不良健康效應（如癌癥和生殖障礙）的因果鏈。AOP強調了分子細胞層次與整體生理水平之間的聯系，并提供了一種系統化方法來闡釋毒性效應。基于上述分析工具，本研究綜合采用 EAR 與 AOP 兩種方法，對我國東部某省水源地52個采樣點中新污染物的健康風險進行了系統評估。

圖1 AOP與EAR分析評估方法

對分布在15個不同的水源地的52個監測點進行全年的調查采樣，共檢測115種新污染物，其中107種可被檢出。總體而言，樣品覆蓋范圍廣泛，但多數污染物的檢出濃度處于較低水平。監測結果顯示，僅有5個點位的累積濃度超過了1000ng/L。從濃度水平分析，檢出濃度較高的污染物包括磺胺甲惡唑、咖啡因、多菌靈和乙草胺，其濃度范圍在77.7至100 ng/L。之間。

基于上述監測結果，本研究對所檢測到的濃度進行了EAR風險評估，并據此構建了優先控制污染物清單。在調研的15個水源地中，苯醚甲環唑被識別為一級優先控制污染物，甲霜靈為二級優先控制污染物，乙草胺、咖啡因、卡馬西平、多菌靈、多效唑嘧菌酯被確定為三級優先控制污染物。同時，本研究結合AOP，深入探討了高風險目標污染物所引發的多種可觀察毒性效應，并對其在分子水平上激活特定受體的潛在機制進行了分析。研究結果不僅為飲用水中新污染物的早期風險識別與優先篩選提供了科學依據，也在一定程度上彌補了傳統毒理評估方法在應對復雜混合污染場景中的局限性。

現有凈水工藝對新污染物的去除效果

除了水源風險評估，本研究還對我國長江、黃河流域典型凈水工藝中新污染物的去除效果進行了為期一年的系統檢測和綜合評估（見圖2）。研究重點包括長江、黃河流域凈水工藝中102種新污染物的檢出與去除情況，以及常規、深度處理工藝對新污染物水質風險的控制效果和各工藝段對新污染物去除的效能分析。研究發現，在長江、黃河流域的凈水工藝中，全氟化合物、農藥、抗生素等典型新污染物均有檢出，且濃度大多低于50 ng/L，總體水平較低。對于農藥和抗生素，出水濃度多低于10 ng/L，說明水廠工藝對農藥和抗生素的去除效果較為顯著。然而，對全氟化合物的去除效果總體水平較低，去除率不足20%，提示當前工藝對該類難降解污染物仍存在明顯短板。

圖2 黃河、長江下游水廠典型新污染物去除情況

本研究進一步采用了EAR評估方法，對典型凈水工藝的進、出水中的高風險物質進行了識別和比較分析。研究發現，進出水中高風險物質的種類存在變化，在進水中檢測出16種高風險物質，而出水中的數量減少至11種。當前工藝對啶酰菌胺、多效唑等農藥及部分抗生素類新型污染物的去除效果較為顯著，風險控制總體表現良好。然而，異甲丙草胺和全氟化合物在出水中的水質風險仍需進一步關注。

在此基礎上，本研究對水廠各工藝段的處理效能進行了評估，涵蓋了常規的混凝、沉淀、過濾以及臭氧生物活性炭等深度處理工藝在內的新污染物去除貢獻。總體而言，常規工藝對某些新污染物表現出一定的處理效能，但難以滿足總體風險控制需求，相比之下，臭氧生物活性炭工藝可以顯著增強對新污染物的整體去除效果。區域差異性分析表明，在長江流域的典型水廠中，生物活性炭工藝對新污染物的去除效果較為顯著；而在黃河流域，則以臭氧工藝表現出較高的效能。因此，為進一步提升水處理設施對新污染物的整體控制能力，建議在工程實踐中合理集成常規與深度處理工藝，形成具有協同優勢的多級凈水處理體系。

圖3 水廠處理工藝對新污染物的去除效能

新污染物風險控制多級屏障技術——怎么控？

在明確相信污染物控制目標的基礎上，本研究針對水廠新污染物的強化去除，進一步提出了構建新污染物風險控制多級屏障體系的構想，以解答關于飲用水新污染物控制策略的問題。在技術路線方面，本研究根據新污染物關鍵風險因子的識別，將其劃分為易降解、可降解和難降解三個類別，并據此構建分層分類的控制策略。基于分步控制理念，對常規處理工藝進行針對性優化，以提高其對易降解有機物和新污染物的去除能力。針對深度處理工藝，通過化學氧化與生物協同作用，來增強對可降解類抗生素和農藥的處理效果。對于難降解的污染物，特別是針對全氟化合物提出了一種低成本極限吸附去除策略，并通過改進的吸附材料顯著提升了對這類難降解污染物的去除效率。此外，結合新污染物去除的智能化監測技術，構建形成飲用水新污染物風險控制的集成工藝，該技術體系已在長江、黃河等重點流域開展工程示范，旨在構建覆蓋新污染物識別、去除與風險響應全過程的技術體系，為我國飲用水中新污染物水質風險的系統性管理提供技術支撐。

臭氧氧化工藝

針對臭氧氧化工藝，研究發現臭氧投加劑量和污染物的氧化反應速率是決定新污染物降解效率的主要影響因素。在長江下游地區某大型水處理廠開展的中試實驗結果表明（圖4），當預臭氧投加濃度從0.8 mg/L分別提高至1.2 mg/L和1.5 mg/L時，新污染物（包括農藥和抗生素）的總體去除效率可提升10%至30%之間，表明提高臭氧投加量在一定范圍內可顯著增強污染物的去除效果。

在保持臭氧投加量不變的前提下，不同種類新污染物的去除效果存在顯著差異。以三類農藥為例，甲草胺、三唑類、苯并咪唑類的去除率分別為15%、30%和80%。這種差異性主要歸因于不同污染物的分子結構差異導致的臭氧氧化反應速率不同。

具體而言，甲草胺分子中氮元素以酰胺基團形式存在，其臭氧反應速率通常低于1 M-1 s-1，同時該化合物還包含苯環結構，反應速率約為2 M-1 s-1，因此綜合考量下，甲草胺的總氧化反應速率大約為3.4 M-1 s-1。相比之下，三唑類化合物的反應活性位點主要由三唑基團決定，反應速率可達約100 M-1 s-1。而苯并咪唑類化合物以咪唑基團作為主要反應活性位點，其反應速率更高，可達到105 M-1 s-1。綜上所述，在臭氧氧化工藝參數保持恒定的前提下，新污染物的反應活性位點類型及其氧化反應速率是決定其在臭氧工藝中去除效率的關鍵因素。

圖4 臭氧投加劑量與污染物氧化速率的影響圖

總體而言，在臭氧氧化過程中，新污染物的降解效率受到臭氧反應速率常數、羥基自由基反應速率常數以及臭氧與羥基自由基的暴露量等參數的影響。如圖5所示，臭氧的直接氧化作用具有較高的反應選擇性，其反應速率常數k值與污染物的分子結構特征密切相關，變化范圍較大。相對地，羥基自由基具有更強的氧化能力，但其反應過程無明顯選擇性，盡管其氧化速率較高，但不同污染物間的差異性較小。此外，氧化劑的暴露劑量亦為影響降解效率的重要因素，該參數受到水體背景水質特征（如有機物含量、pH等）以及臭氧工藝運行條件（如投加方式、接觸時間等）的共同影響。

圖5 臭氧氧化動力學示意圖

在不同水質條件下，臭氧與羥基自由基對新污染物的氧化貢獻度受污染物特性及其臭氧反應速率常數的共同影響。如圖6左圖所示，當新污染物的總體氧化速率較低，例如小于10 M-1 s-1時，即使提高臭氧暴露劑量，其去除效率提升幅度仍較有限，通常增幅不足 20%。相反，若新污染物的總體氧化速率超過1000 M-1 s-1，即使臭氧暴露劑量較低，也能實現污染物的完全去除，表明污染物的氧化反應活性對去除效果具有顯著影響。此外，有必要綜合評估臭氧及羥基自由基在污染物氧化過程中的相對貢獻。圖6右側展示了不同反應速率常數下新污染物的氧化過程。隨著氧化速率常數從105 M-1 s-1降低至103 M-1 s-1，進而降至10 M-1 s-1和1 M-1 s-1，可以觀察到羥基自由基的貢獻比例逐步上升。因此，對于氧化反應速率較低的新污染物，在氧化處理中僅通過增加臭氧投加量可能難以顯著提高其降解效率。為了有效降解這類低反應速率的新污染物，必須充分利用羥基自由基的降解作用，以彌補直接臭氧氧化的效率不足。

圖6 臭氧處理過程中不同活性污染物的去除效果

鑒于上述分析，本研究針對臭氧氧化工藝中不同氧化反應速率的新污染物，提出了一套分級響應的氧化處理策略。首先，為提高羥基自由基的生成效率，建議添加過氧化氫，構建臭氧-過氧化氫高級氧化工藝，以提高難降解新污染物的去除效率。其次，為降低背景有機質對羥基自由基的非目標反應消耗，建議強化混凝過程，降低水中背景有機質濃度，避免羥基自由基的無效損失，可進一步提高羥基自由基對目標難降解污染物的專一性作用，增強臭氧氧化工藝在復雜水質條件下的處理效能。

生物活性炭

在生物活性炭工藝中，炭齡是影響新污染物去除效率的關鍵因素之一。本研究對新投入使用（新炭）、使用時間約6個月至1年（中炭）以及使用壽命達5至7年（老炭）的三種不同使用周期的活性炭進行了對比分析，以評估其對新污染物的去除效能。實驗在長江下游某水廠展開，通過同步批次對照實驗，觀察到三種不同使用周期的活性炭對新污染物的去除效果存在顯著差異。新炭和中炭對新污染物的去除率均能維持在80%以上，而老炭去除效果波動較大，甚至出現負值，總體去除率低于40%。基于上述結果，從飲用水中新污染物控制的角度出發，建議將生物活性炭的使用周期控制在3至5年之間，以確保其在運行過程中的穩定去除效能。

針對目前懸浮態難降解新污染物去除效率普遍偏低的問題，本研究團隊同步開展了新型粉末活性炭的開發工作，以提升對新污染物的去除效能。例如，通過引入氨基改性技術，我們成功增強了粉末活性炭對全氟化合物（PFAS）的吸附能力。實驗結果表明，改性粉末活性炭的吸附容量可提升至原來的1.7倍以上，尤其在去除短鏈PFAS方面表現出更為顯著的效果。

凈水工藝降解新污染物實時監測——如何用？

通過整合常規處理、強化深度處理以及極限吸附技術，本研究構建了一套面向新污染物風險控制的集成工藝體系。然而，在實際應用過程中，該工藝體系仍面臨新污染物難以實時監測以及工藝調控反饋不及時的挑戰。在飲用水處理中，新污染物的濃度通常處于幾十納克每升至幾個納克每升的水平，無論是親水性還是疏水性污染物，均難以通過直接儀器監測實現。因此，通常需要經過富集凈化和預處理步驟，才能對單個樣品進行定量分析（圖7）。從樣品采集、預處理到數據分析處理，整個過程耗時可能長達數小時甚至數天，不僅導致分析結果實時性不足，也使得運行成本顯著增加，同時對水廠及其配套分析設施提出了更高的技術與運維要求。

圖7 新污染物的分析流程

針對以上挑戰，本研究從整個飲用水的水質特征出發，開發了一些特定性的指標來間接指示凈水工藝對新污染物的去除效果。通常，飲用水中背景有機質的濃度水平在毫克每升級別，在常規深度處理工藝中，背景有機質會發生一定程度的降解與轉化。基于這一特征，我們提出了一種新的監測方法，即通過分析背景有機質的光譜特性和氧化還原活性的變化，以實現對新污染物去除效果的評估，從而為其在凈水工藝中的去除情況提供替代性監測手段。

在熒光光譜分析中，本研究采用的PARAFAC方法是一種非常成熟的多維熒光光譜解析技術，能夠將溶解性有機質（DOM）分解為類色氨酸、類絡氨酸和腐殖質等組分。基于氧化過程中三類組分轉化動力學速率的差異，我們構建了多種新污染物降解的相關性分析，即通過監測DOM（溶解性有機物）光譜強度變化的特異性來指示不同新污染物（可降解、難降解、易降解）在凈水工藝中的降解特性。然而該種方法的相關系數R2約為0.7，表明其解釋力尚有提升空間。分析認為，該擬合精度受限于熒光信號的整體性表達特征，因其反映的是全量有機質的復合熒光響應，其中既包括活性組分，也包含較為惰性的背景有機質，缺乏對有機組分結構與反應活性的有效區分，從而影響了對新污染物降解過程的準確表征。

圖8 DOM熒光光譜監測指示新污染物降解

基于上述熒光光譜監測方法存在的局限性，本研究進一步提出了利用氧化還原特性轉變的策略，基于新污染物在降解過程中背景有機物供電子能力（EDC）的同步變化原理，采用ABTS自由基測定DOM的EDC變化，以期為凈水工藝中新興污染物的去除提供一種新的監測思路。

相較于常規光譜指標，供電子能力的監測在靈敏度方面表現更為優異，尤其適用于低臭氧劑量飲用水處理工藝的評估。Logistic模型可以有效描述整個臭氧工藝對新污染物去除率與EDC的去除效果，R2值高于0.8。對于高O3反應速率（＞105）的一些新污染物，如磺胺甲惡唑、四環素等，削減60%的EDC就可以實現80%的去除率；對于中反應速率（103~105）的和低反應速率（＜103）的一些新污染物，EDC在削減60%時，新污染物去除率在30%左右, 進一步驗證了該方法對污染物氧化降解反應強度的指示作用。此外，該方法分析流程簡單，單個樣品的分析流程大約耗時15分鐘，相較于傳統預處理質譜分析方法顯著縮短了分析周期，綜合來看，基于EDC變化的監測策略在成本控制、時效響應及風險指示能力方面均表現出顯著優勢，為飲用水中新污染物的快速評估與動態控制提供了技術支撐。

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編輯整理：《凈 水技術》編輯 楊潔

排版：《凈水技術》編輯 李濱妤

審核：《凈水技術》社長/執行主編 阮辰旼

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