复合介质与植物协同强化含水层补给：提升渗透通量与水质净化的创新策略

本研究针对全球水资源短缺背景下传统土壤含水层处理(SAT)系统占地面积大、渗透效率低的问题，创新性地提出将多孔介质(火山岩)与水生植物(芦苇、莎草等)整合形成MP-SAT系统。通过中试实验证实，该系统在4倍提升渗透通量的同时，对NH4(50-70%)、TOC(20-25%)、总磷(30-40%)、T4噬菌体(98-99%)和布洛芬(25-40%)的去除效率与常规SAT相当甚至更优。该突破性成果为水资源回用提供了兼顾效率与质量的新型解决方案，发表于《Heliyon》期刊。

　　

全球水资源危机正随着人口增长和气候变化不断加剧，特别是在干旱和半干旱地区，淡水资源的急剧减少与用水需求的持续攀升形成了尖锐矛盾。面对这一严峻挑战，废水回收再利用成为缓解水资源短缺的重要途径。在众多废水处理技术中，基于自然生态过程的土壤含水层处理(SAT)和人工湿地(CW)系统因其低成本、低能耗的优势备受关注。然而传统SAT系统存在渗透效率低、占地面积大的固有缺陷，而CW系统则面临植物管理复杂、易滋生蚊虫等问题。如何在有限空间内实现高效渗透与优质净化的双重目标，成为水资源回用领域亟待突破的技术瓶颈。

以色列本古里安大学的研究团队创新性地提出了MP-SAT系统，将多孔介质(火山岩等)与水生植物整合到SAT系统中。通过为期两个月的10组中试实验，对比分析了不同配置下系统的渗透性能和水质净化效果。研究采用4小时淹水/12小时干燥的典型SAT运行周期，通过水位监测计算渗透通量，并检测了NH₄、NO₃、TOC等常规指标及T4噬菌体、布洛芬等特征污染物的去除效率。同时运用细菌生产速率(BP)测定、流式细胞计数等技术解析微生物降解机制。

在渗透性能方面，研究获得了突破性发现。MP-SAT系统的平均渗透通量达到35 cm h^-1，是传统SAT系统(5-10 cm h^-1)的3.5-4倍。这种显著的提升主要归因于多孔介质较大的粒径(2-4 mm)形成的发达孔隙结构，以及植物根系创造的优势流路径。值得注意的是，增加介质填充深度(30 cm vs 60 cm)并未显著改变渗透性能，表明仅需30 cm的MP-SAT层即可实现渗透强化。

在水质净化方面，MP-SAT展现出与SAT相当的污染物去除能力。对氮素的转化尤为突出：NH₄转化率达50-70%，且在30 cm深度即可完成主要转化过程；有机氮在MP-SAT中几乎完全转化，而传统SAT需要60 cm深度才能达到同等效果。TOC去除率稳定在20±5%，总磷去除率为30-40%。特别值得关注的是对特征污染物的高效去除：T4噬菌体去除率高达98-99%，布洛芬去除率为25-40%，细菌丰度降低56-70%。微生物分析显示，MP-SAT中生物膜细菌的碳同化速率比SAT高1.4-2.5倍，这解释了其在较短水力停留时间下仍能保持优异净化效果的原因。

植物筛选实验为系统优化提供了重要依据。香根草(Cyperus corymbosus)表现出最快的生长速率(2.15±0.08 cm d^-1)，而芦苇(Phragmites australis)受冬季条件限制生长缓慢。三种测试植物的叶绿素a含量无显著差异，表明其生理状态良好，能够持续发挥污染物吸收和微生物载体功能。

这项研究通过巧妙的系统整合，成功突破了传统SAT系统的技术瓶颈。MP-SAT的创新性体现在三个方面：一是通过多孔介质优化孔隙结构，大幅提升渗透效率；二是利用植物-微生物协同作用强化污染物降解；三是仅需30 cm的薄层设计即可实现优质净化，显著节省了占地面积。该技术为水资源短缺地区提供了一种既能增加回用量又能保障水质的新型解决方案，对实现联合国可持续发展目标中的清洁饮水和卫生设施目标具有重要实践意义。未来研究可进一步优化介质组合与植物配置，并评估长期运行中的维护需求，以推动该技术的大规模应用。