复合介质与植物协同增强含水层回灌效率：机制、效能与挑战

推荐：本研究针对传统土壤含水层处理(SAT)和人工湿地(CW)占地面积大、与城市发展冲突的痛点，创新性提出复合介质-植物协同SAT系统(MP-SAT)。通过整合火山岩(tuff)与水生植物(Phragmites australis等)，在保证NH4(50-70%)、TOC(20-25%)等污染物高效去除的同时，使入渗通量提升4倍，为水资源短缺地区提供可持续的废水回用方案。

　　

随着全球人口增长和气候变化加剧，淡水资源的稀缺已成为严峻挑战。传统生态系统废水处理方法如土壤含水层处理(SAT)和人工湿地(CW)虽能有效净化水质，但存在占地面积大、易与城市发展产生竞争等局限性。以色列研究团队在《Heliyon》发表的研究中，开发了一种创新性的混合处理系统——复合介质-植物协同SAT(MP-SAT)，通过整合多孔介质与水生植物，显著提升了含水层回灌效率。

研究团队在以色列Shafdan污水处理厂建立了中试规模实验系统，采用5组渗滤柱对比传统SAT与MP-SAT的性能差异。关键技术包括：1) 构建含不同介质(火山岩、多孔陶粒等)和植物(芦苇等)的渗滤系统；2) 模拟SAT的4小时淹水/12小时干燥运行周期；3) 采用TOC分析仪、流式细胞术等监测水质参数；4) 通过³H-亮氨酸掺入法测定细菌生产力；5) 添加示踪剂(T4噬菌体和布洛芬)评估特定污染物去除效率。

研究结果显示，MP-SAT系统展现出显著优势。在入渗通量方面，MP-SAT配置比传统SAT高出约4倍，使处理水量增加1.6-2倍。这种提升主要归因于粗颗粒介质形成的大孔隙结构，以及植物根系创造的优先流路径。在水质净化方面，MP-SAT对NH₄的去除率达50-70%，TOC去除率20-25%，总磷去除率30-40%，与SAT相当甚至更优。特别值得注意的是，系统对T4噬菌体的去除效率高达98-99%，细菌丰度降低56-70%，布洛芬去除率25-40%。

微生物活性分析揭示了MP-SAT高效净化的内在机制。介质附着生物膜的细菌生产力(BP)比SAT高1.4-2.5倍，表明多孔介质为微生物群落提供了更适宜的栖息环境。尽管MP-SAT的水力停留时间较短，但其生物降解速率仍保持较高水平，这主要得益于植物根系分泌的有机物促进了微生物生长。

植物筛选实验发现，Cyperus corymbosus在冬季条件下生长最快(2.15 cm/d)，而Phragmites australis生长较慢，这对地中海气候区的植物选择具有指导意义。所有测试植物的叶绿素a含量相近，表明在废水处理环境中均能保持良好生理状态。

该研究证实，MP-SAT系统能显著提升含水层回灌效率而不牺牲出水质量，为解决城市污水处理用地矛盾提供了创新方案。系统整合了SAT的可靠性和CW的生态友好特性，通过多孔介质优化水力性能，利用植物-微生物协同作用增强净化能力。未来研究可进一步优化运行参数，评估长期稳定性，并探索不同气候条件下的适用性。这项成果为水资源短缺地区的可持续水管理提供了重要技术路径，对实现联合国可持续发展目标(SDG6)具有积极意义。