基于沸石与生物炭老化特性分析的垂直流人工湿地去除灰水中个人护理产品的机理研究

本研究针对垂直流人工湿地(VFCW)在长期处理灰水(GW)过程中基质老化对污染物去除机理的影响问题，通过系统评估三种创新基质(沸石、植物残渣生物炭和污水纤维素生物炭)在老化前后的理化特性变化，揭示了VFCW长期运行后污染物去除机理从吸附主导向生物降解转变的规律。研究发现尽管老化过程改变了基质特性，但系统对常量污染物(COD、PO4-P)和个人护理产品(PCPs)的去除效率仍保持优异，为优化VFCW设计提供了重要理论依据。

　　

随着城市化进程加快和水资源短缺问题日益严峻，灰水(Greywater, GW)的回用成为实现可持续水管理的重要途径。灰水主要来自淋浴、洗衣和洗手盆等生活用水，含有表面活性剂、个人护理产品(Personal Care Products, PCPs)等污染物。垂直流人工湿地(Vertical Flow Constructed Wetlands, VFCWs)作为一种生态友好的分散式污水处理技术，在灰水处理领域展现出巨大潜力。然而，传统VFCWs存在占地面积大、长期运行性能不稳定、对微量污染物去除机制不明确等问题，特别是关于填料基质在长期运行过程中的老化特性及其对污染物去除机理的影响尚不清晰。

在这项发表于《Journal of Environmental Management》的研究中，来自卢森堡大学的科研团队开展了一项名为"ReCare"的创新研究项目，系统探讨了三种新型填料基质(沸石、植物残渣生物炭和污水纤维素生物炭)在VFCWs中长期处理灰水后的老化特性及其对污染物去除机理的影响。研究首次揭示了填料基质在长期运行过程中的理化性质变化规律，以及污染物去除机制从初始的吸附主导逐渐向生物降解和植物吸收转变的重要现象。

关键技术方法

研究采用实验室规模的VFCWs系统，处理轻度和中度合成灰水长达一年以上。通过理化性质表征、近似分析、污染物去除动力学实验等综合方法，评估了六种不同填料配方(S1-S6)在初始状态和老化后的性能变化。研究特别关注了两种采样深度(0.2米和0.65米)的差异，以揭示根系分布区域对污染物去除的影响。染料吸附实验采用靛蓝胭脂红作为模型化合物，通过Freundlich和Langmuir等温线模型分析吸附特性。

基质理化特性表征结果

研究人员首先对六种填料的初始理化性质进行了系统表征。结果显示，含有15%沸石的S1填料具有最大的比表面积(47 m²·g^-1)，而含有15%污水纤维素生物炭的S5填料表现出最高的阳离子交换容量。颗粒度分布分析表明，所有填料中约35-40%为粗砂，20%为中砂，20%为细砂，其余为更细颗粒。值得注意的是，研究初期由于有机负荷率(Organic Loading Rate, OLR)和水力负荷率(Hydraulic Loading Rate, HLR)超过推荐值，导致了系统堵塞问题，通过调整运行参数后得到解决。

基质老化过程的近似分析

通过对填料老化前后的近似分析发现，经过合成灰水处理后，所有填料在第一个采样深度(0.2米)的挥发性物质含量均高于第二个深度(0.65米)，这表明植物根系区域具有更丰富的微生物群落。特别值得注意的是，生物炭基填料(S3、S5)在根系区域显示出更高的生物量含量。另一个重要发现是，处理后填料的电导率(Electrical Conductivity, EC)值(约30 μS·cm^-1)显著低于初始状态(约300 μS·cm^-1)，这可能是由于盐分从系统中淋失所致。

污染物去除动力学研究

污染物去除动力学实验揭示了不同场景下的去除特性差异。在染料吸附实验中，生物炭基填料在初始条件下表现优于沸石填料，其中S5(含15%污水纤维素生物炭)的染料去除量最高，达到0.5 mg·g^-1。Freundlich模型较好地拟合了染料吸附过程，其决定系数R²接近1。然而，在经过灰水处理后，特别是在第一个采样深度，染料吸附的R²值降低，研究人员认为这可能是由于微生物丰度增加对吸附过程产生了干扰。

在常量污染物去除方面，化学需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD)的去除在灰水处理后的场景中表现更好，特别是在第一个采样深度，这与好氧微生物在表层区域的活跃活动相一致。相反，磷酸盐磷(Phosphate Phosphorus, PO₄-P)的去除在填料初始状态下效果最佳(达44%)，而在老化后的填料中去除率显著降低(仅13-17%)。这一现象表明，在长期运行的VFCWs中，磷酸盐的去除可能更多依赖于微生物同化和植物吸收，而非单纯的填料吸附。

研究结论与意义

本研究系统揭示了VFCWs填料在长期处理灰水过程中的老化特性及其对污染物去除机理的影响。研究发现，尽管老化过程改变了填料的理化性质，但VFCWs对常量污染物和个人护理产品的整体去除效率仍保持优异水平。这表明在长期运行中，污染物去除机制从初始的吸附主导逐渐转变为生物降解和植物吸收等其他途径的共同作用。

该研究的创新之处在于首次系统评估了新型填料(特别是污水纤维素生物炭)在VFCWs中的长期性能，为优化人工湿地设计提供了重要依据。研究结果对推动灰水资源化利用、实现可持续水管理具有重要实践价值。特别是关于填料老化过程中污染物去除机理转变的发现，为人工湿地的长期运行维护和性能优化提供了理论指导。此外，研究中采用的污水纤维素生物炭不仅提高了系统性能，还体现了循环经济理念，为污水处理领域的可持续发展提供了新思路。

研究的局限性在于未直接分析微生物群落和植物吸收的具体贡献，未来研究可结合分子生物学技术进一步揭示生物降解的具体途径。尽管如此，本研究为VFCWs在灰水处理中的应用提供了重要的理论和实践基础，对推动生态污水处理技术的发展具有重要意义。