摘要

先進的廢水處理技術是當今科學和政治的焦點。盡管文獻中有大量關於這些新技術效率的詳細信息，但對它們對相連的地表水的影響卻知之甚少。本研究的重點是位於德國南部拉文斯堡的一家大型汙水處理廠，該處理廠配備了額外的清潔階段(2013年秋末使用的粉末活性炭)。在一項前後研究的範圍內，對該汙水處理廠的汙水樣本以及連接的Schussen河的沉積物和地表水樣本進行了化學分析和用斑馬魚(鮐魚類)在汙水處理廠升級前後的兩年內。我們的研究結果清楚地表明，基於粉末活性炭的額外淨化步驟不僅能顯著減少廢水處理廠出水和地表水中的微汙染物，而且還能改善沉積物和地表水質量，從而顯著降低胚胎毒性效應。因此，我們的研究揭示了PAC吸附技術在廢水處理中的生態學和毒理學相關性。

關鍵字

廢水處理;三級處理;粉狀活性炭;魚類胚胎測試;沉積物;地表水

簡介

盡管廢水處理技術在過去40年裏不斷改進，但存在於歐洲地表水中的很大一部分人為物質仍然通過廢水處理廠[1]排放。造成這一現象的原因在於傳統廢水處理過程中對各種物質的不完全清除[2-4]。因此，個人護理產品、藥品、工業製劑或其轉化產品等人為物質過去和現在仍在不斷排放到水環境中[5,6]。

例如，非甾體抗炎藥(NSAID)雙氯芬酸是一種世界範圍內使用的藥物，經常在汙水處理廠的廢水和許多歐洲地表水中檢測到[6,7]。Schwaiger等人[8]、Triebskorn等人[9]和Birzle[10]的研究表明，即使雙氯芬酸的低濃度和環境相關濃度也會對暴露在環境中的魚類產生不利影響。內分泌幹擾化學物質(EDCs)，如17α-乙基雌二醇(EE2)，是避孕藥具的常見成分，也可以在許多地表水和汙水處理廠的廢水中找到[11,12]。一些研究表明，EE2的低濃度(ng/L範圍)會對魚類內分泌產生不利影響[13-15]。多年來，痕量物質汙染環境和不同清潔技術處理廢水一直是當今科學家和政治家關注的焦點。這種上升的興趣有多種原因。可能最重要的一個是，水資源將在未來許多地區發揮限製因素，特別是當生產的原水和飲用水來自廢水處理[16]的情況下。特別是在人口密集、工業或農業用地密集的集水區，地表水汙染的程度成為一個關鍵因素。為了改進廢水處理工藝，滿足歐洲水框架指令(WFD)的要求，基於臭氧化或粉末活性炭(PAC)的額外廢水處理技術已經並正在許多研究中[17-20]。在減少微汙染物和病原體方麵，現有技術的優勢、效率、必要性和適當應用是衛生環境工程中一個較晚出現的話題，也是一個激烈的科學討論問題[21-24]。 Whether, and how fast this additional wastewater treatment technologies result in an improvement of ecosystem health, however, is far from being understood.

目前的工作是聯合研究計劃的一部分。SchussenAktivplus”。它旨在調查和評估德國南部不同規模的汙水處理廠，這些處理廠配備了額外的廢水處理技術，如臭氧化、粉末活性炭(PAC)或顆粒活性炭(GAC)過濾。本研究的重點是一個大型汙水處理廠(德國南部Ravensburg附近的Langwiese汙水處理廠)及其廢水在汙水處理廠采用活性炭級升級之前和之後對接收流Schussen河的影響。舒森河是德國向康斯坦斯湖最大的支流，也是德國最大的飲用水水庫。舒森河集水區是一個人口密集和使用密集的地區，由於城市汙水的排放，經曆了許多人為的影響。總共有19個汙水處理廠和216個暴雨溢流池向該河排放汙水。朗威瑟汙水處理廠是一個具有相當於17萬人口清潔能力的大型工廠。2013年秋末，該汙水處理廠升級了一個額外的吸附PAC級。為了研究這一額外的過濾階段對接收水道的水和沉積物的毒性的影響，研究人員利用魚胚試驗(FET)對來自Schussen河的四個地點——朗威瑟汙水處理廠上遊和下遊，升級前和升級後——的樣本進行了為期兩年的調查。鮐魚類)．此外，還用場效應管對來自朗威斯汙水處理廠不同清洗階段的汙水樣本進行了研究。總之，我們的研究旨在評估廢水樣本、地表水和現場沉積物樣本中的胚胎毒性潛力，從而評估使用PAC技術升級大型汙水處理廠的生態毒理效益。

材料和方法

WWTP Langwiese的特性

朗威瑟汙水處理廠是一個大型設施，具有相當於17萬人口的清潔能力。它位於德國拉文斯堡市下遊的Schussen河上。該汙水處理廠是一個常規設施(按照德國標準)，配備了機械、生物和化學淨化步驟，然後是砂過濾，並結合絮凝作為最後的清洗階段。2013年秋季，對其進行了升級，增加了一個吸附PAC級，以降低廢水中微量物質的濃度。

采樣地點和日期

在朗威瑟汙水處理廠上下遊的四個現場采樣點進行了調查(圖1)。采樣點S0和S1位於朗威瑟汙水處理廠上遊。S0也位於與Langwiese汙水處理廠相連的stormwarer溢流池(SOB) Mariatal的上遊。S1位於SOB的下遊。S3和S6分別位於朗威瑟汙水處理廠下遊5公裏和17公裏處。S6汙水處理廠位於Schussen河口附近的Eriskirch汙水處理廠下遊，進入康斯坦斯湖。此外，由於Triebskorn & Hetzenauer[25]的文獻綜述顯示，阿根河是一條汙染較輕的河流，因此在康斯坦斯湖的另一條大支流阿根河的一個參考點(命名為S4)進行了調查。所有采樣日期列於表1。

圖1:Schussen河(Langwiese汙水處理廠上下遊)和Argen河參考地點的實地取樣地點

	取樣日期	領域的網站	WWTP Langwiese
WWTP之前 升級	2012年7月	x	x
	2012年10月	x	-
	2013年5月	x	-
	2013年7月	x	x
WWTP後 升級	2013年11月	x	x
	2014年5月	x	x
	2014年7月	x	x

表1:調查期間的抽樣事件;x =采樣;- =不采樣

在朗威斯汙水處理廠，研究了來自汙水清洗過程中不同位置的樣本(圖2):a)未經處理汙水的進水;B)生物/活性汙泥處理後的出水;C)最後淨化步驟(砂濾-複合絮凝)出水;d) PAC濾池升級後的出水;e) PAC過濾升級後的最後淨化步驟出水。

圖2:朗威斯汙水處理廠的采樣點;A:優先升級汙水處理係統;B:在WWTP升級之後。采樣地點為a)未經處理汙水的進水處;B)生物/活性汙泥處理後的出水;C)最後淨化步驟(砂濾-複合絮凝)出水;d) PAC濾池升級後的出水;e) PAC過濾升級後的最後淨化步驟出水

抽樣:在每個田間采樣點采集了沉積物和地表水樣本。沉積物采樣是在靠近河邊的地方進行的，在河床的頂部2至4厘米處進行采樣。為了獲得每個采樣點的代表性沉積物樣本，所有的沉積物樣本在15至30米的距離內隨機收集(每個調查現場的多個點)。隨後，將每個現場采集的樣品均質於不鏽鋼桶中，分成三批，每批100g，用鋁箔包好(Roth，德國)。批用於FET中的應用。在距離河麵10至15厘米深的地方采集了水的樣本。所有燒瓶在取樣前用河水衝洗。在每個現場和采樣活動中，將三個250毫升消毒玻璃燒瓶(德國Schott Duran)裝滿地表水。

對於在Langwiese汙水處理廠的采樣，每個采樣事件也要用三個玻璃燒瓶(250毫升，Schott Duran，德國)裝滿所調查的每個清洗階段的相應水。收集的樣品是由安裝的自動采樣器在每個被調查的清洗階段采集的24小時散裝樣品。為了防止樣品中微生物的人為擴增，樣品在采樣和運輸過程中保存在4°C的冷箱中，到達實驗室後在- 20°C冷凍。

實地的理化分析

在每次采樣過程中，直接在水流中測量水的pH值、氧濃度、電導率和水溫。為了進行額外的測量，在無菌玻璃燒瓶中取1升河水(每個采樣地點和事件)取樣並運送到實驗室。在實驗室中，用管式檢測試劑盒(NANOCOLOR)光度法測定了硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨、磷酸鹽、氯化物的濃度^®管測試)和一台machery - nagel (Düren，德國)的緊湊濾光光度計(PF-12Plus緊湊光度計)。用滴定法測定碳酸鹽和總硬度(MColortest)^™默克公司(德國達姆施塔特)。根據德國水問題工作組[26]和2011年德國地表水管理法[27]定義的指導值對所有測量數據進行了評估和評估。

化學分析

對來自Langwiese WWTPs的廢水樣品進行化學分析，采用高效液相色譜(HPLC, 1200或1290係列Agilent Technologies, Waldbronn，德國)分離耦合串聯質譜(API 4000和5500係列，AB Sciex, Framingham，美國)。之前的分析樣品用固相萃取(SPE)進行預濃縮。Thellmann等人[28]詳細描述了苯並三唑、藥物和抗生素的所有分析方法(包括SPE協議、梯度程序和分析柱)。在固相萃取之前，汙水處理廠的進水樣品分別被稀釋了10倍和5倍。

斑馬魚的養護和繁殖

成年和幼斑馬魚(Westaquarium品係)在Tübingen大學動物生理生態科飼養和放養。所有魚均飼養在100-240升的水箱中，水溫26±0.5℃，供氧充足。魚缸內裝有過濾過的自來水(AE-2L濾水器配ABL-0240-29活性炭過濾器，0.3 μm;賴澤Seligenstadt,德國)。過濾後的自來水水質保持在8 ~ 12°dH的總硬度(相當於1.43 ~ 2.14 mM CaCO)_3.)，電導率260 ~ 350 μS/cm, pH 7.4±0.2。亞硝酸鹽和硝酸鹽濃度保持在臨界值以下(亞硝酸鹽0.025 ~ 0.1 mg/L;硝酸鹽1 ~ 5 mg/L)。每14天，交換30%的水量。將魚缸暴露在人工暗光周期為12:12小時的環境中。成年斑馬魚每天三次(約為魚重的3%)飼喂幹片狀食物(TetraMin)^™， Tetra, Melle，德國)。此外，在產卵事件之前，每周給魚喂一次冷凍食物(蚊子幼蟲)，以刺激最佳的產卵量。為了防止不必要的產卵，水箱沒有包含任何沉澱物基質，植物和裝飾。繁殖箱，用於產卵，放置在水族箱底部的前一天晚上，希望產卵。養殖箱由塑料托盤和不鏽鋼網格(網格尺寸1.5毫米)。鋼格柵允許蛋進入托盤，並保護它們免受成年斑馬魚的捕食。為了刺激產卵，一個綠色的塑料模擬植物被安置在鋼網格的頂部。

魚類胚胎測試:魚胚胎試驗一般遵循經合組織準則236[29]的程序，並根據Hollert等人的工作將其應用和修改為沉積物接觸試驗。驗證測試的標準與經合組織準則236中所描述的相同。

所有樣本均取三份。因此，對每個采樣地點和事件進行了三次獨立測試(在不同日期進行三次測試)。測試按照Thellmann等人的工作進行。[28]。在每個被測試的取樣地點(在田間和在朗威瑟汙水處理廠)，五個玻璃培養皿(直徑30毫米，Schott Duran，德國)裝滿了各自的樣品。對於現場樣品的測試，所有盤子都裝滿2.5 g的沉積物樣品，並覆蓋來自同一采樣地點和事件的相應地表水。用再生水(根據ISO 7346/3)作為陰性對照。在規定的時間點，致死和亞致死終點(孵化率;使用體視顯微鏡(Stemi 2000-C, Zeiss, Oberkochen, Germany)觀察發育延遲和失敗)以及發育階段(表2)。

端點	受精後數小時(hpf)
	8 h	12小時	24小時	48小時	60 h	72 h	84 h	96 h
死亡率/凝血*	X	X	X	X	X	X	X	X
孵化					X	X	X	X
發育遲緩
外包	X
原腸胚形成		X
體節形成*			X
尾巴超然*			X
自發的運動			X
眼發展			X
心率(次/分鍾)*				X
耳石形成					X
發生黑色素細胞					X
發育失敗
水腫(心髒和蛋黃)					X
畸形的眼睛					X	X	X	X
尾部變形					X	X	X	X
脊椎變形(脊柱側彎)					X	X	X	X
色素沉著的失敗					X	X	X	X

表2:魚胚試驗中發育階段和終點的觀察如果沒有致命性指標，則用*標記

統計分析

使用SAS JMP 11.0版本(SAS Institute GmbH, Böblingen, Germany)進行統計分析。對於來自Schussen河和Argen河調查采樣點的數據分析，所有采樣事件和所有測試運行的整個數據集通過似然比檢驗進行評估。從朗威瑟汙水處理廠被測試的汙水樣本記錄的整個數據集通過費雪精確測試進行分析。顯著性水平設為α=0.05。為了校正多重檢驗，采用Holm-Bonferroni方法調整顯著性水平。

結果

水物理化學參數

總的來說，根據LAWA[26]和2011年德國地表水管理法(表3)[27]定義的指導值，記錄的數據表明兩條河流的生態狀況良好。唯一的例外是舒森河每個調查地點的硝酸鹽濃度，這些地點沒有達到良好的生態條件。表3彙總了所有采樣事件的數據平均值。

	在升級前					升級後
	S0	S1	S3	S6	S4	S0	S1	S3	S6	S4
電導率(µs /厘米)	651.2	633.8	639	675.8	480.4	605	603.5	610.25	628.5	504.5
水溫(°C)	14.46	14.88	15.00	15.48	13.30	12.45	12.28	12.70	12.90	12.50
O2飽和度(%)	101.68	99	101.42	90.94	103.58	103.6	99.95	98.5	90.65	106.62
O2內容(毫克/升)	9.88	9.50	9.87	8.73	10.24	10.48	10.23	9.95	9.21	10.29
NH4- n(毫克/升)	0.050	0.052	0.037	0.051	0.028	0.035	0.045	0.038	0.053	0.035
沒有2- n(毫克/升)	0.021	0.024	0.021	0.027	0.008	0.019	0.019	0.019	0.019	0.009
沒有3.- n(毫克/升)	3.063	2.932	3.369	3.384	0.902	2.875	2.825	3.275	3.675	0.900
阿寶4- p(毫克/升)	0.06	0.05	0.06	0.06	0.04	0.07	0.06	0.07	0.07	0.03
碳酸鹽硬度(°dH)	19.80	19.60	20.20	20.00	17.00	20.25	18.50	18.50	18.50	16.50
總硬度(°dH)	21.00	20.80	20.20	20.20	18.80	21.75	21.50	21.75	21.50	18.25
pH值	8.23	8.24	8.22	8.16	8.26	8.22	8.21	8.26	8.02	8.25
氯化(毫克/升)	23.40	23.40	26.00	27.80	13.00	21.75	22.25	24.00	30.00	9.50

表3:在Ravensburg Langwiese汙水處理廠升級前後的六個現場的物理化學水參數。數據代表所有進行的測量的平均值。根據德國水問題工作組(LAWA)定義的指導值對所有測量值進行評估和評估。LUBW2008)和2011年德國地表水法規(OGewV 2011)。藍色標記的值表示非常好的生態條件，綠色標記的值表示良好的生態條件，而橙色標記的數組表示沒有達到良好的生態條件

化學分析:在Schussen的框架內Aktivplus該項目對100多種常見物質進行了化學分析。在本研究中，僅記錄了6種經常出現的物質(1h -苯並三唑、4-甲基苯並三唑、5-甲基苯並三唑、卡馬西平、雙氯芬酸和磺胺甲惡唑)的數據，如圖3-5和表4所示。這些物質被選為所有人為引入化合物的代表。圖3-4和表4所示的數據清楚地表明，由於使用了額外的PAC級，所有這些物質在出水和現場的濃度都有所下降。根據不同的物質，額外的消除率在59到91%之間變化(表4)。表4給出了測量數據和消除率的摘要。在位於Eriskirch汙水處理廠下遊的6號采樣點，隻觀察到三種物質(1h -苯並三唑、5-甲基苯並三唑、磺胺甲惡唑)的濃度下降，而在Langwiese汙水處理廠升級後，卡帕西平和雙氯芬酸的濃度上升(圖5)。

圖3:活性汙泥處理(AST)、AST +砂濾(SF)、AST +粉狀活性炭+ SF後WTTP Langwiese 6種微汙染物的去除率括號中的值表示汙水處理廠進水中的濃度

圖4:Schussen河地表水樣品中六種微汙染物的濃度;在三號采樣點(朗威瑟汙水處理廠下遊)采樣

圖5:Schussen河地表水樣品中六種微汙染物的濃度;在靠近康士坦斯湖河口的第6采樣點(埃裏斯基希汙水處理廠和朗威斯汙水處理廠下遊)采樣

	影響	廢水 SC	廢水 SC +科幻	廢水 c + sf + pac	PAC額外消除[%]
1 h-benzotriazole	9.90	4.30	4.40	0.95	78.41
4-methyl苯並三唑	1.80	1.20	1.60	０．２５	84.38
5-methyl苯並三唑	2.7	0.9	0.89	0.08	91.01
carbamezepine	0.66	0.55	0.56	0.09	83.93
雙氯芬酸	1.9	1.3	0.91	0.37	59.34
磺胺甲惡唑	0.39	0.27	0.34	0.13	61.76

表4:測定Langwiese汙水處理廠不同淨化步驟進水和出水中1h -苯並三唑、4-甲基苯並三唑、5-甲基苯並三唑、卡馬西平和雙氯芬酸的濃度(µg/L)和去除率(%)。縮寫:SC=二級澄清器;科幻小說=砂濾器;粉末活性炭

魚胚胎試驗:在汙水處理廠升級前後的汙水樣本中，隻發現了較低的胚胎毒性潛能。在暴露的斑馬魚胚胎死亡率方麵，被調查的廢水與對照處理之間沒有發現差異。關於試驗的亞致死終點，隻觀察到發育遲緩(缺乏尾脫離)和發育失敗(水腫，脊柱變形)的低比率。發育失敗率和發育延遲率均與對照處理的胚胎相似。孵化率在調查的汙水中表現出最顯著的差異。在這裏，從二級澄清器到最後淨化步驟(使用PAC升級)的孵化率明顯穩步增加(圖6)。結果還表明，由於使用PAC清洗汙水，斑馬魚胚胎反應的可變性降低了。

圖6:斑馬魚胚胎暴露於汙水處理廠朗威塞人不同汙水樣本的死亡率(a)和孵化率(b)。(1) SC與對照組間差異有統計學意義(*p< 0.05);(2) SC和SF PAC;(3) PAC和SF PAC。所有采樣事件和測試運行記錄的整個數據集通過Fisher精確檢驗進行評估。為了校正多重測試，采用了Holm-Bonferroni方法。縮寫:SC=二級澄清器;科幻小說=砂濾器;PAC =活性炭;PAC SF =粉狀活性炭，然後砂過濾

對來自現場的原生沉積物和地表水樣本的調查，就PAC額外淨化步驟的益處得出了更明確的結果。就死亡率和孵化率這兩個終點而言，朗威瑟汙水處理廠下遊的采樣點S3和S6均觀察到顯著改善。與升級前測試的樣本相比，從這些地點采集的廢水處理廠升級後的樣本，暴露在環境中的胚胎的死亡率顯著降低，孵化率顯著提高(圖7)。暴露在采樣點0、1和4的樣本中的胚胎則明顯相反。在這些情況下，與升級前測試的相應樣本相比，朗威瑟汙水處理廠升級後分別於2013年秋季之後采集的沉積物和地表水樣本導致暴露的胚胎死亡率顯著升高，孵化率顯著降低(圖6)。2013年秋季朗威瑟汙水處理廠升級後，從所有地點采集的樣品的發育延遲率明顯低於此前相應的樣品。

圖7:暴露於來自Schussen河和Argen河的本地沉積物和地表水樣本中的斑馬魚胚胎的死亡率(a)和孵化率(b)。顯著差異(* p < 0.05;* * p < 0.01;***p<0.001)在Schussen河第0、3和6個采樣點均有發現。所有抽樣事件和測試運行的數據的完整性通過似然比檢驗進行評估。處理描述:以_b =結束的處理，然後使用PAC升級WWTP;使用PAC升級WWTP後，以_a =結束的處理

討論

物理化學測量沒有顯示出調查的采樣地點之間的任何差異。除了舒森河的硝酸鹽濃度升高，根據德國水問題工作組(LAWA)[26]和2011年德國地表水法規[27]定義的指導值，所有測量值都表明生態狀況良好。舒森河硝酸鹽濃度升高可能是由於舒森河中自然存在的腐殖質物質，以及舒森集水區農業用地的密集使用。然而，很明顯，環境樣品上fet記錄的斑馬魚發育的差異不能合理地歸因於這些理化參數。

化學分析的數據清楚地表明，使用PAC的額外淨化步驟可進一步減少朗威瑟汙水處理廠的出水和采樣點3和6的樣品中測量到的化學物質(表4和圖3-5)。然而，在6號采樣點，兩種化合物(雙氯芬酸和卡馬西平)的濃度在汙水處理廠Langwiese升級後略有增加。這一增長主要是由於埃裏斯基希汙水處理廠的排放，該汙水處理廠沒有升級到額外的清洗階段。獲得的數據對於常用的化合物如卡馬西平、苯並三唑、雙氯芬酸和許多其他物質尤其重要，這些物質在常規廢水處理過程中沒有或隻顯著減少，即使在配備了3個淨化步驟的汙水處理廠中也是如此。關於減少微量物質和毒性作用，廢水處理中額外的PAC階段的有效性(試點和全麵研究)已經在一些研究中描述過，例如，Boehler等人[31]，Margot等人[21]，Altmann等人[32]，或Mailler等人[33]。所有這些研究都強調了額外的淨化步驟對於充分和可持續的廢水處理的重要性。然而，針對汙水處理係統升級對相關生態係統的潛在毒性影響的研究很少。

對朗威瑟汙水處理廠的出水樣本的研究顯示，對斑馬魚胚胎發生的影響很小。盡管常規處理和高級處理之間的死亡率沒有顯著差異，但就亞致死終點而言，觀察到暴露於pac處理廢水中的胚胎孵化率升高。這一結果表明，由於使用額外的以pac為基礎的純化步驟，胚胎毒性潛力略有但仍可識別的進一步降低。在這種情況下，需要考慮的是，在一個技術高度發達的國家，“常規”處理步驟(砂濾和複合絮凝的三級處理)已經在淨化過程中導致了胚胎毒性潛力的明顯降低。然而，我們的數據表明，即使在如此高的技術水平上，也可以通過pac技術進一步降低廢水中的胚胎毒性潛力。

此外，用調查現場的天然沉積物和地表水樣本進行的魚胚胎試驗顯示出更明確的影響。在Langwiese汙水處理廠升級後，在第3和第6采樣點(汙水處理廠下遊)的樣本中觀察到胚胎毒性效應顯著降低，這特別表明在這些下遊位置的改善，因為不受該汙水處理廠影響的采樣點0、1(汙水處理廠上遊)和4(參考地點)同時顯示出相反的趨勢。因此，第3和第6個場址的情況的改善不能由於每年環境參數的普遍波動而產生，而必須與這兩個下遊場址的具體位置有關。沉積物由無機和有機組分組成，為幾種汙染物提供大量的結合位點[34,35]。因此，它們能夠在較長時間內對汙染物負擔所產生的毒性進行臨時綜合。與從汙水處理廠汙水中提取的24小時大樣本相比，它們還能提供更多關於汙染水平的信息。化學分析在朗威瑟汙水處理廠的廢水中發現了幾種物質，如廣泛使用的藥物雙氯芬酸和卡馬西平。許多源自城市廢水的物質因其親脂性和在環境中的低降解性而聞名，因此它們能夠在水係沉積物中積累[36-38]。我們無法對環境中物質的積累或生物降解做出一般的說明，因為這兩個參數都取決於許多因素，如pH值、化合物的電荷、總有機碳(TOC)和氧氣條件[39,40]。此外，歐洲河流(包括Schussen河)中的大多數沉積物已經含有持久性和有害物質，如多環芳烴、多溴二苯醚，以及廢棄化合物，如多氯聯苯[41,42]，這些化合物與當前廢水釋放的物質相互作用。 In the past years a number of studies have been published that demonstrated the effects of the above-mentioned substances on the health and the development of exposed zebrafish embryos. For instance, Perrichon et al. [43] exposed zebrafish embroys to fluoranthene-spiked sediments and observed increased mortality rates and various developmental alterations. Similar observations were made by Usenko et al. [44] in zebrafish embryos exposed to different PBDE congeners. However, it is documented that these compounds which have been identified as priority pollutants often only count for a minor part of the biological response [45,46]. A recent study of Qiang et al. [47] showed that even low and environmentally relevant concentrations of carbamazepine are able to affect zebrafish development on the molecular level. In this study, already 1 µg/L carbamazepine impaired the expression pattern of neural-related genes in zebrafish embryos. Schwaiger et al. [8] exposed rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) to different concentrations of diclofenac. The authors observed alterations in gills and kidney of rainbow trout after exposure to diclofenac in the lower µg/L range. Similar observations were made by Hoeger et al. [48] after exposure of brown trout (Salmo trutta f. fario) to different and environmentally relevant concentrations of diclofenac. The above-mentioned examples and also many other studies demonstrate that numerous anthropogenic substances which are released into rivers by WWTPs are able to affect not only the health and the development of the model organism zebrafish, but also the health of feral organisms. Since it is impossible to cover the entirety of pollutants present in the environment by chemical analytics, it cannot be decided which of these substances finally contributed to the observed effects in our experiments. Therefore, the studied effects have to be attributed to the entirety of factors present in water and sediment, including mixture effects and interactions of chemicals with confounding factors. In this case, the fish embryo test with the zebrafish and native sediment and surface water samples represents an adequate research method since it integrates over the impact of all compounds present in an environmental sample.

所得結果顯示，位於汙水處理廠汙水下遊的3號和6號場址的生態毒理學情況有了積極的發展。這種積極的影響可能要歸功於2013年秋季汙水處理廠的升級，增加了一個PAC階段，因為朗威塞汙水處理廠是目前為止舒森河最大的汙水處理廠，其排放的廢水占該河流總汙水負荷的50%。值得注意的是，盡管在朗威瑟汙水處理廠上遊還有17個規模較小的汙水處理廠將汙水排放到舒森河，但在朗威瑟汙水處理廠升級後，第3和第6地點的樣本的影響顯著減少。Maier等人[49]和Peschke等人[50]也證實了采用PAC階段進行汙水處理廠升級的效率，他們分別觀察到汙水處理廠廢水中二惡英樣電位的明顯降低和schusen河無脊椎動物健康和多樣性的改善。總的來說，Triebskorn等[51]和Thellmann等[28]的研究證明了使用粉末活性炭進行汙水處理廠升級的積極長期效果。Schmiecha河，也位於德國西南部，一直是上述研究的重點，曆史上被紡織工業排放的廢水嚴重汙染。據報道，這些天來，這條小溪看起來“染成了各種顏色”，高等生物無法在被汙染的水中生存。為了減少當地紡織工業廢水的毒性，阿爾布施塔特-埃賓根(施米恰河)的汙水處理廠在20多年前就安裝了PAC級和複合絮凝劑。Vogel等人[52]的測量數據證明，在阿爾布施塔特-埃賓根汙水處理廠中，粉末活性炭階段可以有效地減少微汙染物。如Thellmann等人[28]和Triebskorn等人[51]所示，增加PAC階段的升級還導致了生態係統的高效恢複。

結論

我們的研究結果清楚地表明，基於粉末活性炭(PAC)的額外清洗階段是一種有效和充分的技術，可以減少處理後廢水中的微量物質，也可以減少水係沉積物中的胚胎毒性潛力。活性炭過濾是一種先進的技術，它利用吸附汙染物到PAC的大內表麵，由於顆粒的高孔隙率，在300和2000 m²/克之間。物質對聚氯化鋁的吸附，特別是可能產生胚胎毒性的有機化學物質，以及氯或氟等其他化學物質的吸附是基於範德華力的。這種方法已被證明是非常有效的去除高濃度有機化學物質，如染料，從廢水[53]。額外的PAC階段對本地魚類和無脊椎動物的積極影響已在Henneberg和Triebskorn[18]、Maier等人、[49]和Peschke等人的工作中得到證明。我們的研究結果表明，這種附加的廢水處理技術不僅對水生生物群的可持續保護具有很高的相關性，而且對人類也具有很高的相關性。當地表水被用於飲用水供應時，後者尤其如此。根據歐盟水框架指令(WFD)的要求，粉末活性炭高級廢水處理必須被視為一種可持續保護地表水和水生生物群的有效技術。此外，與斑馬魚(鮐魚類)應用於本地地表水和沉積物樣本，證明是評估汙水處理廠汙水對相連河流生態毒理學影響的有用工具。

確認

作者要感謝Hans Güde (ISF Langenargen)， Sabrina Giebner (Frankfurt U)， Hans- j。Vogel(地區委員會Tübingen)， Andreas Dieterich, Anja Henneberg, Stefanie Krais(均為Tübingen U)，以及在抽樣活動中給予支持的所有其他同事。

資金

項目SchussenAktivplus由德國聯邦教育與研究部(BMBF)資助，環境部(Baden-Württemberg)共同創立。該項目與BMBF行動計劃“可持續水資源管理”相聯係，並納入BMBF框架方案“可持續發展研究FONA”。合同期限:2012年1月至2014年12月，資助號:02WRS1281A。此外，Jedele & Partner GmbH、AZV Mariatal、Ravensburg市、Ökonsult GbR和AV Unteres Schussental提供了財政資助。

同時，我們也感謝德意誌Forschungsgemeinschaft和Tübingen大學開放獲取出版基金的支持。

相互競爭的利益

作者宣稱沒有利益競爭。資助方不參與研究設計、數據收集和分析，也不參與稿件準備。

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條信息

文章類型:研究文章

引用:Thellmann P, Greiner-Perth K, Jacob S, Knoll M, Schäfer M，等(2017)汙水處理廠粉活性炭升級是否降低了接收流的水和沉積物毒性?國際水廢水處理3(2):doi http://dx.doi.org/10.16966/2381-5299.141

版權:©2017 Thellmann P，等人。這是一篇開放獲取的文章，根據創作共用署名許可協議(Creative Commons Attribution License)發布，該協議允許在任何媒體上不受限製地使用、分發和複製，前提是注明原作者和來源。

出版的曆史:

收到日期:2017年4月13日

接受日期:2017年4月25日

發表日期:2017年4月29日(