在热带气候条件下，使用观赏植物通过全规模人工湿地系统处理市政污水和咖啡废水

《Ecological Engineering》：Municipal and coffee wastewater treated by a full-scale Constructed Wetlands using ornamental plants under tropical climate

本研究在墨西哥评估了一个由沉淀池和串联湿地组成的污水处理系统，处理混合市政和咖啡加工废水。结果显示，系统有效去除COD、TN、NH4+–N等污染物，咖啡因去除率超99%，符合当地排放标准，验证了湿地系统在发展中国家农村地区的可行性。

　　咖啡产业在发展中国家的农村社区中扮演着重要的经济角色，但其废水处理却常常成为环境和公共健康问题的焦点。为了应对这一挑战，研究者们正在探索更加可持续和经济高效的废水处理方案。其中，人工湿地（Constructed Wetlands, CWs）作为一种生态友好型技术，因其低能耗、低成本以及良好的污染物去除能力而受到关注。本文旨在评估一种全规模的人工湿地污水处理系统在处理农村生活污水与咖啡生产废水混合废水中的实际效果，特别是在墨西哥的农村地区。

随着全球咖啡消费的增加，咖啡生产活动在热带地区的非洲、亚洲、中美洲和南美洲国家迅速发展。这些地区的咖啡种植不仅为当地经济提供了重要收入来源，还创造了大量的直接和间接就业机会。然而，传统的咖啡加工方法往往导致大量未经处理的废水排放，这些废水通常含有高浓度的有机物、营养物质以及难以降解的化合物，如多酚和咖啡因。这些污染物对水体和土壤生态系统造成严重威胁，同时也可能影响人类健康。

为了改善这一状况，研究者们提出了多种废水处理方案，包括化学处理、生物处理和物理处理等。例如，高级氧化和混凝-絮凝等化学处理技术可以实现较高的化学需氧量（COD）去除率，但这些方法往往需要消耗大量能源和化学品，增加了运营成本。相比之下，生物处理技术如人工湿地则提供了更为经济和环保的替代方案。人工湿地利用自然植被和微生物的协同作用，能够在不依赖外部能源的情况下实现高效的污染物去除。此外，人工湿地的建设和维护成本较低，适合在资源有限的农村地区推广。

在人工湿地的应用中，植物的选择对于污染物去除效率具有重要影响。传统上，人工湿地系统使用一些常见的水生植物，如芦苇和香蒲，这些植物能够有效去除有机物和氮磷等营养物质。然而，近年来研究发现，使用观赏性植物可以进一步提升人工湿地的景观价值，同时保持其良好的处理效果。例如，某些观赏植物不仅能够去除污染物，还能改善湿地的美学价值，增加社区对这一技术的接受度。因此，研究者们开始关注如何在人工湿地系统中引入观赏植物，以兼顾生态功能和景观效益。

尽管人工湿地在实验室和小规模应用中展现出良好的处理效果，但在实际大规模应用中仍面临诸多挑战。例如，人工湿地的设计和运行需要考虑多种因素，包括基质的选择、水力停留时间（HRT）以及植物的适应性。这些因素在不同气候和地理条件下可能会发生变化，从而影响人工湿地的处理效率。此外，人工湿地在处理混合废水时，如同时处理生活污水和咖啡生产废水，可能需要更复杂的系统配置，以确保所有污染物都能被有效去除。

为了更好地理解人工湿地在实际应用中的表现，研究者们需要进行全规模的实地研究。这些研究不仅可以验证人工湿地在实验室条件下的处理能力，还能揭示其在真实环境中的运行规律。例如，人工湿地的处理效率可能会受到季节性气候变化的影响，特别是在降雨量和温度波动较大的地区。因此，评估人工湿地在全年不同环境条件下的表现，对于优化其设计和运行至关重要。

本文的研究地点位于墨西哥韦拉克鲁斯州米桑特拉市的萨尔瓦多·迪亚斯·米隆社区。该社区位于海拔917米的山区，主要依靠农业活动维持生计，其中咖啡种植和畜牧业是重要的经济来源。研究期间，研究人员从2023年11月至2024年10月，对当地的人工湿地污水处理系统进行了为期一年的监测。该系统由一个沉淀池和四个串联的人工湿地单元组成，每个湿地单元种植了不同的观赏植物。

研究结果表明，当咖啡生产废水被加入系统时，进水的水质特征没有发生显著变化（p > 0.05）。这表明，咖啡废水与生活污水混合后，其污染物浓度并未显著增加，因此人工湿地系统能够有效处理混合废水。此外，研究还发现，沉淀池的处理效率与降雨量之间存在显著关联。然而，这种影响并未传递到后续的人工湿地单元，说明人工湿地在处理混合废水时具有良好的稳定性。

在污染物去除方面，该人工湿地系统表现出色。全年平均去除效率分别为87%的COD、60%的TN、59%的NH?⁺–N和NO?^?–N、68%的NO?^?-N、76%的TP、74%的PO?^3?–P，以及超过99%的咖啡因。这些去除率均达到了墨西哥官方标准的排放限值，表明该系统在实际运行中具备良好的处理能力。

研究还探讨了不同处理阶段对污染物去除的影响。沉淀池主要用于去除悬浮固体和部分有机物，而人工湿地单元则主要负责去除溶解性有机物和营养物质。通过将自由流人工湿地和水平潜流人工湿地串联使用，系统能够更全面地处理混合废水，特别是在去除氮磷和咖啡因方面表现出色。此外，人工湿地的结构设计和植物配置对处理效果也有重要影响，合理的植物选择和布局可以提高系统的稳定性和效率。

本文的研究不仅提供了人工湿地在实际应用中的性能数据，还强调了其在发展中国家农村地区的重要性。由于传统污水处理技术在这些地区往往成本高昂且难以维护，人工湿地作为一种低成本、低能耗的替代方案，具有广阔的推广前景。通过合理设计和运行，人工湿地系统可以有效减少废水对环境的影响，同时提升农村社区的景观质量和生态价值。

此外，本文还指出，未来的研究需要进一步关注人工湿地在不同气候条件下的运行效果，特别是在季节性变化较大的地区。研究者们还建议，开发更加多样化的植物配置方案，以提高人工湿地的处理能力和生态功能。通过这些改进，人工湿地技术可以更好地满足发展中国家农村社区的废水处理需求，为实现环境可持续性提供有力支持。