基于自然和低成本技术的新型废水回收序贯处理流程的评估：在示范规模下的多参数分析及欧盟监管指标的考量

《Science of The Total Environment》：Assessment of a novel sequential treatment train based on natural and low-cost technologies for wastewater reclamation at demonstrative scale: A multiparametric analysis of EU regulated indicators

研究评估了厌氧消化（AD）串联人工湿地（CWs）和太阳能光化学过程（SPPs）对城市污水处理的综合效能，满足欧盟农业回用水标准，去除率达80%以上，总成本0.65欧元/立方米，证实为可持续替代方案。

　　在面对全球水资源日益紧张的挑战时，特别是在干旱和半干旱地区，如何高效且经济地处理和再利用城市污水成为亟需解决的问题。近年来，研究者们探索了多种污水处理技术，其中厌氧消化（AD）、人工湿地（CWs）以及基于过氧化硫酸（PMS）和过氧化氢（H?O?）的太阳能光化学过程（SPPs）在循环跑道反应器（RPR）中被广泛应用。这些技术因其成本低廉、运行高效和环保特性，被认为在城市污水的处理和再利用中具有巨大潜力。本文旨在评估这些技术组合在实际污水处理厂中的应用效果，特别是在微生物指标去除、抗生素耐药基因（ARGs）清除、微污染物（MPs）降解以及物理化学参数控制方面的表现。

随着气候变化和人口增长的加剧，农业用水需求不断上升，而水资源的短缺则使得城市污水的再利用显得尤为重要。欧盟的相关法规，如2020/741号条例和2024/3019号指令，对城市污水的再利用提出了严格的要求，包括微生物指标的去除、有机负荷的控制以及微污染物的处理。其中，2020/741号条例特别关注了农业灌溉用水的水质标准，要求污水中的大肠杆菌（E. coli）浓度低于10 CFU/100 mL，同时控制生物需氧量（BOD?）、总悬浮固体（TSS）和浊度等参数。2024/3019号指令则进一步强调了对微污染物的处理，要求至少80%的特定污染物被去除，特别是抗生素、药物残留、农药和它们的代谢产物。此外，还要求监测污水中抗微生物耐药性（AMR）的存在，以确保未来能够采取适当的措施。

在这些法规的背景下，AD、CWs和SPPs的组合技术被提出作为一种潜在的解决方案。AD是一种利用微生物在无氧环境下分解有机物质的过程，不仅能够有效去除有机负荷，还能产生有价值的生物能源——沼气，同时减少污泥产量。相比之下，传统的活性污泥法虽然能有效处理污水，但需要大量能源和产生大量污泥，增加了后续处理和处置的成本。因此，AD被视为一种更具可持续性的处理方式。

然而，单独使用AD在去除某些关键污染物和实现有效的消毒方面存在局限性。为了进一步提高处理效果，AD通常会与人工湿地结合使用。人工湿地通过植物根系和基质的物理、化学和生物作用，能够有效去除总悬浮固体（TSS）、化学需氧量（COD）和生物需氧量（BOD?），同时对某些微生物的去除也表现出良好的效果。例如，研究显示，当AD与垂直潜流人工湿地（V-SSF）和水平潜流人工湿地（H-SSF）以及自由水面人工湿地（FS）串联使用时，可以实现高达98%的TSS去除率，89%的COD去除率，99%的BOD?去除率和98%的浊度去除率，同时对大肠杆菌的去除率达到约5个对数减少值（LRVs）。这些结果表明，人工湿地能够显著提升污水的处理效果，尤其是在去除有机负荷和微生物方面。

为了进一步提高处理效率，研究人员还探索了将人工湿地与先进的氧化工艺（AOPs）结合的可能性。AOPs利用强氧化剂如H?O?、PMS、PS和PAA，在光照条件下分解污染物，实现高效的消毒和降解。太阳能光化学过程（SPPs）特别受到关注，因为它们可以利用自然光作为能量来源，降低了能源消耗，同时避免了传统消毒方法可能产生的消毒副产物（DBPs）。研究表明，SPPs在实验室和太阳能反应器中表现出良好的性能，能够有效去除微生物和微污染物。然而，其在实际污水处理厂中的应用仍处于探索阶段，尤其是在大规模循环跑道反应器中的表现尚未被广泛报道。

本文的研究重点在于评估AD+CWs+SPPs的组合技术在真实污水处理厂中的应用效果。通过在“Blanca”污水处理厂进行示范性测试，研究团队对多个关键参数进行了监测，包括微生物指标、抗生素耐药基因、微污染物和物理化学参数。结果显示，该组合技术能够有效满足欧盟对城市污水再利用的严格要求，特别是在微生物指标的去除方面，达到了Class A标准，即大肠杆菌浓度低于10 CFU/100 mL。此外，该技术在去除微污染物方面也表现出色，能够去除超过80%的六种指定污染物，同时对ARGs的去除率也达到了较高的水平，其中三个ARGs的浓度被降至检测下限（QL）。

与传统处理工艺相比，该组合技术在多个方面显示出优势。传统处理流程通常包括预处理、初级处理、生物处理（如活性污泥法）以及三级处理（如紫外和氯化消毒）。尽管这些步骤能够有效处理污水，但其高能耗和污泥产量使得整体处理成本较高。相比之下，AD+CWs+SPPs的组合技术不仅能够有效去除污染物，还能通过生物能源的回收和自然光的利用，显著降低运行成本，同时减少碳排放，符合可持续发展的目标。

此外，该组合技术还能够有效减少抗生素耐药基因的传播，这对于保护公共健康和生态环境具有重要意义。研究表明，城市污水是抗生素及其代谢产物、抗微生物耐药细菌（ARB）和耐药基因（ARGs）的重要来源。通过有效的处理技术，可以减少这些耐药因子在环境中的扩散，从而降低其对生态系统和人类健康的潜在风险。

综上所述，AD+CWs+SPPs的组合技术不仅能够满足欧盟对城市污水再利用的严格标准，还能通过自然过程和可再生能源的利用，实现经济和环境的双重效益。这种技术的推广和应用，对于缓解水资源短缺、提高污水处理效率以及促进可持续发展具有重要意义。未来的研究可以进一步探索该技术在不同气候条件和地理环境下的适应性，以及其在更大规模应用中的可行性。