在慢速砂滤器的深层滤床中，有机碳能够轻松实现生物降解并释放出来

《ACS ES&T Water》：Easily Biodegradable Organic Carbon Release in the Deep Bed of Slow Sand Filters

慢滤砂层（SSF）深层（20-60cm）释放易降解溶解有机碳（DOC），随后在更深层（60-90cm）被重新吸收，同时铵离子（NH4+）主要在更深处去除。实验室与实际规模研究均证实，深层微生物活动及碳循环对水质稳定性至关重要。结果揭示了砂层整体碳处理机制，强调了深层在维持出水水质中的作用。

　　慢砂过滤（SSFs）作为一种传统的水处理技术，近年来因其在提高饮用水生物稳定性方面的显著作用而受到越来越多的关注。尽管过去的研究主要集中在SSFs的顶部生物层（即所谓的Schmutzdecke），但近期研究开始认识到深层砂床在去除溶解性有机碳（DOC）和铵（NH??）方面的重要性。这项研究通过分析成熟规模的SSFs和年轻实验室规模的SSFs，探讨了DOC释放的发生及其潜在机制，并评估了这种释放是否与滤床的年龄有关。研究结果表明，DOC释放不仅发生在成熟滤床中，也在年轻滤床中被观察到，这提示我们DOC释放可能并不完全依赖于滤床的成熟度。

在实际应用中，SSFs通常作为饮用水处理的最后一步，因此其进水通常具有较低的有机和无机负荷。这使得在实际滤床中研究碳循环过程变得困难，因为碳源的浓度较低，难以追踪其动态变化。为克服这一挑战，实验室规模的滤床被设计为具有更高的DOC、NH??和PO?3?浓度，以模拟更接近实际条件的环境。研究通过在不同深度取样，并结合液相色谱-有机碳检测（LC-OCD）等技术，对DOC的组成和变化进行了深入分析。

研究发现，在成熟滤床中，DOC的减少主要发生在顶部5厘米的Schmutzdecke层，而该层之后的中层（20-60厘米）则出现了DOC的释放，尤其是在nitrification几乎完成的区域。这种释放在两种类型的滤床中都被观察到，可能源于细菌活动在碳或氮限制下的结果，或者是缓慢降解的有机碳向可降解形式的转化。而深层（60-90厘米）则表现出对释放DOC的再次去除，这表明深层砂床在维持出水质量方面发挥着关键作用。通过这种方式，SSFs内部形成了一个动态的碳循环过程，这一过程如果仅通过出水浓度来监测，可能会被忽略。

此外，研究还发现，在实验室规模的滤床中，DOC的释放发生在55厘米深度，这一现象在成熟和年轻滤床中均被观察到，说明DOC释放并不完全依赖于滤床的成熟度。在这一过程中，DOC的释放与nitrification的完成深度相吻合，这可能意味着在nitrification完成后，微生物活动仍在继续，但其代谢产物的释放可能成为后续碳去除的来源。这种现象不仅对理解SSFs的内部生物过程具有重要意义，还对实际工程设计和运行策略提供了新的视角。

研究还揭示了在实验室滤床中，DOC的组成变化与实际滤床中相似。例如，进水中含有较高比例的低分子量（LMW）酸和中性物质，而这些物质在顶部5厘米的层中被有效去除，但在中层则出现释放，最终在深层被再次去除。这种变化表明，尽管Schmutzdecke层在DOC去除方面起主导作用，但深层砂床的微生物活动同样对碳的循环和去除起到了关键作用。这为未来的水处理技术优化提供了新的方向，尤其是在如何平衡滤床深度与处理效率方面。

同时，研究还涉及了氨的去除过程。在实验室滤床中，NH??的去除主要发生在深度超过5厘米的区域，而这一过程与nitrification的完成深度相吻合。在nitrification完成后，NH??的浓度几乎降至检测限以下，这表明深层砂床在氨的去除方面同样具有重要作用。此外，研究发现，在实验室滤床中，PO?3?的去除主要发生在深层区域，这进一步表明深层砂床在维持出水质量方面的重要性。

研究还探讨了不同深度的砂床中微生物群落的分布情况。例如，在Schmutzdecke层中，异养菌和硝化菌的分布较为集中，而在深层区域，硝化菌的丰度仍然较高，这可能意味着硝化菌在深层区域中仍然活跃，但其代谢活动可能受到碳或氮的限制。此外，研究发现，在深层区域中，某些特定微生物群落（如Nitrospiraceae和Vicinamibacteraceae）的丰度较高，这可能意味着这些微生物在碳的转化和去除过程中起着重要作用。

通过这一研究，我们首次发现了SSFs深层中容易降解的DOC释放现象，并强调了理解其对碳循环和去除过程的重要性。这一发现不仅为水处理技术的进一步发展提供了理论支持，也为实际工程设计和运行策略提供了新的思路。未来的研究应进一步探讨这些释放过程的机制，以及其对长期滤床稳定性和性能的影响。此外，还需要关注实验室和实际滤床之间的差异，以及这些差异如何影响碳的循环过程。