寒冷气候下基于自然的混合系统对市政污水中氮及新兴污染物的去除效能研究

针对北极地区市政污水中氮和新兴污染物去除难题，研究人员设计了一种结合移动床生物反应器(MBBR)、苔藓单元和木屑生物反应器的混合处理系统。5年监测显示，总氮去除率达31%，129种新兴污染物中20种被显著去除，木屑生物反应器对8种化合物有特异性去除作用。该研究为寒冷地区分散式污水处理提供了低成本、低维护的解决方案，成果发表于《Ecological Engineering》。

　　

在北极和亚北极地区，脆弱的水生生态系统正面临来自市政污水的双重威胁：营养盐（如氮、磷）过量排放会导致水体富营养化，而新兴污染物（包括药物、个人护理品、微塑料等）的持续输入则可能引发未知的生态风险。由于地广人稀、气候严寒，这些地区难以建设传统集中式污水处理厂，亟需开发适应寒冷气候、能同步去除营养盐和新兴污染物的分散式处理方案。

芬兰拉普兰地区Kallo村的污水处理厂原系统存在总氮(TN)负去除问题（年均-30%）。为改善这一状况，研究团队设计了一套创新的混合处理系统：在原有设施内增设移动床生物反应器(MBBR)强化硝化作用；在排水沟渠中依次布置沉淀池、耐寒苔藓(Warnstorfia fluitans)单元、接种平菇(Pleurotus ostreatus)的木屑单元，以及两个平行运行的木屑生物反应器（分别含纯桦木屑和木屑-马铃薯皮混合物）。系统通过5年跨季节监测，评估了其在严寒条件下的处理效能。

研究采用多技术联用策略：通过V型缺口堰连续监测水流；采用标准方法分析氮磷形态（如NH₄-N、NO₂₊₃-N）；利用HPLC/MS/MS等检测129种新兴污染物；通过μ拉曼光谱鉴定微塑料(MPs)；采用16S rRNA基因测序解析木屑反应器的活性微生物群落。

3.1 氮去除
MBBR成功将NH₄-N转化为NO₂₊₃-N（浓度提升60%），但受低温（平均1°C）和溶解氧不足（3.5 mg/L）限制，硝化效率仅达理论值的50%。苔藓单元通过植物吸收和细菌共生实现6% TN去除，而木屑生物反应器表现出惊人的温度稳定性——在0-11°C下NO₂₊₃-N去除率始终保持在96%，微生物组分析揭示其中脱硫菌(Desulfobulbia)可能主导了低温反硝化过程。

3.2 新兴污染物去除
在检测的129种化合物中，20种呈现系统性去除，包括咖啡因代谢物副黄嘌呤（95%）、止痛药扑热息痛（98%）等。特别值得注意的是，木屑生物反应器2特异性去除了8种化合物，如抗抑郁药阿米替林（83%）和抗生素甲氧苄啶（79%），表明木质纤维素基质对特定污染物有吸附/降解潜力。

3.3 微塑料问题
系统出水中微塑料浓度达数十个/升，显著高于大型污水处理厂。进一步分析发现，反应器使用的聚苯乙烯(PS)保温材料成为微塑料污染源（占出水颗粒80%），这一发现警示了环保设施自身可能成为污染源的悖论。

该研究首次证实了混合自然系统在严寒条件下同步去除氮和新兴污染物的可行性。31%的TN去除率使系统从"氮源"转变为"氮汇"，而木屑反应器对特定药物（如β受体阻滞剂）的去除效果为设计靶向处理单元提供了新思路。微生物组数据揭示了北极微生物独特的低温适应机制，为后续生物强化指明了方向。值得注意的是，系统对欧盟优先管控污染物双氯芬酸（34%）和苯并三唑（57%）的去除效果，为政策制定提供了实证依据。研究同时暴露了材料选择的重要性——尽管木屑反应器能有效降解有机物，但其PS保温层却成为微塑料污染源，这种"解决污染却制造污染"的困境值得全行业反思。

这项发表于《Ecological Engineering》的研究，不仅为北极社区提供了切实可行的污水处理方案，更开创性地拓展了自然处理系统在新兴污染物去除领域的应用边界。未来研究应聚焦MBBR优化、扩大新兴污染物监测网络，以及解析低温微生物与污染物降解的分子机制。