《Ecohydrology & Hydrobiology》：Effectiveness of pilot-scale multi-pond constructed wetland system (MPCWS) for tropical island domestic sewage treatment
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人工湿地系统处理旅游岛污水研究。采用五池串联MPCWS（含沉淀池、油筛池等），种植21种本地热带湿地植物，对比非植被控制和传统化粪池。结果显示植被系统在BOD5、COD、TSS、TN、AN、TP及油类去除率上均提升10%以上，尤其在总磷（TP）去除率达38.7%，较化粪池提高14.2%。系统通过植物-微生物互作和延长水力路径实现高效净化，兼具生态修复和景观价值。
申英昂|许文高|赛菲克·沙哈鲁丁|诺尔·阿里扎·阿齐赞|穆斯塔法·卡马尔·耶德|努尔·迪安娜·迪诺|哈吉·阿里亚斯·穆罕默德
马来西亚科学大学（USM）河流工程与城市排水研究中心（REDAC），14300尼邦特巴尔，槟城，马来西亚
摘要
生活污水对人类和生态系统构成重大健康风险，尤其是在基础设施有限的热带岛屿上。人工湿地系统（CWS）作为一种基于自然的解决方案（NBS），为分散式污水处理提供了成本效益高、能源效率高且生态可持续的替代方案。本研究评估了一个试点规模的多池人工湿地系统（MPCWS），该系统包括五个连续的池塘：沉淀池（SP）、油分离池（OSP）、营养物质去除池（NRP）、处理池（TrP）和开放水域池（OWP）。其中四个池塘（OSP、NRP、TrP、OWP）种植了21种本地热带湿地植物。评估了该系统对有机负荷（BOD?、COD）、固体（TSS）、营养物质（AN、TN、TP）、油和油脂（O&G）以及微生物污染（大肠杆菌）的处理效果。通过与非植被对照池和单独的化粪池（ISTs）进行对比，量化了植被的贡献。结果表明，SP和OSP有效去除了TSS和O&G，而NRP、TrP和OWP进一步降低了BOD?、COD和营养物质。定量比较显示，植被使所有参数的去除效率提高了10%以上，尤其是在TP、BOD?、COD和TSS方面具有统计学上的显著优势。MPCWS的性能与ISTs相当或更优，特别是在去除氮化合物方面，这突显了植物-微生物相互作用和延长水力路径的作用。这些发现证实，采用热带大型水生植物的MPCWS可以成为小型社区和旅游岛屿中分散式污水处理的一种可行、低能耗且可持续的方法。除了污染物去除外，该系统还具有回收营养物质、改善生态环境和美化景观等附加效益。
引言
生活污水污染对人类健康和自然生态系统构成严重威胁（Wang等人，2022；Wear等人，2021）。在马来西亚，污水污染问题尤为严重，尤其是影响多个旅游岛屿的珊瑚礁，藻类的过度生长与这种污染有关。许多岛屿缺乏集中式污水处理设施，许多小屋依赖过时的渗滤式化粪池系统（RCM，2019）。这不仅导致污水处理效果差，还使未经处理的污水直接排放到排水系统中，最终流入海洋（海洋公园部门，2013）。
这种污染的后果非常严重，例如游客患病事件便是明证。2022年的报告显示了食物中毒、腹泻、高烧、伤寒和血液中毒等病例，这些都表明与未经处理的污水污染有密切关联（Ganesan，2022；Nambiar，2022；The Sun，2022）。这些令人担忧的健康问题表明，一些度假村经营者和小屋业主将未经处理的污水排放到海洋中，违反了环境法规（Nambiar，2022）。此外，研究将这些旅游岛屿的多个地点列为污水污染的高风险区域，在沿海食品商使用的井水中检测到了有害物质大肠杆菌（E. coli）（Bernama，2022）。研究发现，这些度假村和小屋的化粪池在排放污水前未进行清淤或充分处理，主要是由于偏远岛屿缺乏现代污水处理设施，导致清淤成本高昂（Bernama，2022）。
迫切需要一种低技术含量的污水处理系统，因此提出了人工湿地系统（CWS）作为废水管理的有效解决方案（Md. Akhir等人，2016）。CWS类型包括自由水面型（FWS）和地下流型（SSF），后者又分为水平流型和垂直流型（Vymazal和Kr?pfelová，2008）。选择CWS类型时需要考虑目标污染物类型、基质、气候、土地面积和本地植物等因素。FWS能有效去除氨并限制藻类繁殖，但由于其厌氧条件促进了反硝化作用，因此在去除硝酸盐方面表现优异（Zeng等人，2020）。相反，SSF条件有利于硝化作用，从而提高了化学需氧量（COD）和总磷（TP）的去除效率（Zhuang等人，2019）。
FWS效果的研究空白包括污染物去除机制、植物种类的作用以及在不同气候条件下的适应性，特别是在马来西亚等热带地区。此外，植被对人工湿地的效果和美观性起着关键作用。使用多种植物物种的CWS比单一栽培更能有效吸收营养物质（Wu等人，2012）。选择具有强根茎和纤维根系的地表植物对于系统的有效设计和运行至关重要（Liu等人，2024）。泰国Koh Phi的一项研究表明，多种植物的人工湿地系统可以消除超过90%的生化需氧量（BOD?）、总悬浮固体（TSS）和油脂（Brix等人，2011），但了解植物对潮汐、盐度和季节变化的反应对于有效的岛屿废水处理仍然十分重要。
本研究提出了首个专为热带岛屿条件设计的多池人工湿地系统（MPCWS）。与之前使用有限沉水和水生植物物种的多池或试点规模湿地系统（Li等人，2020；Pu等人，2023）不同，MPCWS采用了多样化的植物组合，包括挺水植物和浮水植物，以优化营养物质去除效果并减少潜在的入侵性。浮水植物在某些湿地设计指南中常被视为入侵物种（Francis等人，2012；DID，2012），但在池塘系统中得到了有效控制，使其能够快速生长而不造成无控制的扩散。连续的池塘设计精确控制了水力停留时间（HRT）、水力负荷率（HLR）、池塘深度、流量分布和停留时间分布（RTD），确保了均匀处理并减少了短路现象。这种灵活性使系统能够适应不同的进水负荷、场地限制和热带气候条件。这些特点使MPCWS区别于以往的设计，凸显了其在热带岛屿生活污水处理中的适用性。
本研究的主要目的是评估在旅游岛屿上实施CWS作为传统污水处理系统替代方案的可行性，考察CWS中的大型水生植物在污染物去除方面的作用，并根据旅游岛屿的具体条件开发和测试一个试点规模的CWS。研究还提供了多项创新贡献，包括对多池CWS中各个池塘的全面表征、对模拟实际应用的试点规模系统的评估，以及对选定热带植物物种在污染物去除和处理过程中的效果的评估。
基于这些目标，本研究测试了三个主要假设：试点规模的MPCWS在去除生活污水中的关键污染物（BOD?、COD、TSS、TN、AN和TP）方面将优于非植被对照池和单独的化粪池；CWS中的本地热带湿地植物将通过植物吸收和根区微生物相互作用等机制增强污染物去除效果，尤其是氮和磷等营养物质；MPCWS的连续池塘设计将导致分阶段的污染物去除，特定池塘对某些污染物的去除效果更显著。这些假设强调了研究在评估MPCWS效率和功能机制方面的实用性和生态学意义。
实验设计与设置
试点规模的多池人工湿地系统（MPCWS）位于马来西亚槟城尼邦特巴尔市的马来西亚科学大学工程校区（图1）。该系统总面积为30米长、25米宽，包括沉淀池（SP）、油分离池（OSP）、营养物质去除池（NRP）、处理池（TrP）和开放水域池（OWP）等组成部分[图2(a)和图2(b)]。池塘的设计坡度为1.1米。
MPCWS中各池塘的物理化学性质
表3比较了试点规模MPCWS中每个池塘的出水情况。最终OWP池的出水溶解氧（DO）浓度从1.23 ± 0.14 mg/L稳定提高到5.01 ± 0.99 mg/L，表明发生了硝化作用。DO浓度影响总氮（TN）的去除效果，因为DO饱和度低的CWS硝化过程受到限制，从而导致
结论
MPCWS的性能结论如下：
(i)MPCWS池塘内的表现：
SP显著去除了BOD?、COD、TSS、TN和AN；OSP有效去除了O&G、BOD?、COD、TSS和TP；NP在去除油和油脂、BOD?和COD方面也有显著效果。TrP和NRP之间以及OWP和TrP之间没有显著差异，表明后续处理阶段污染物去除效果一致。
(ii)MPCWS与IST的比较：
MPCWS的性能总体上与
数据可用性
本研究期间生成的数据集可应要求向相应作者索取。
资金支持
本研究得到了马来西亚政府通过污水服务部（JPP）和马来西亚国家水研究所（NAHRIM）在第11和第12个马来西亚发展计划下的支持，项目代码为P33 800000 180004，以及高等教育部通过高等教育卓越中心计划（HICoE）（拨款编号A305-LR-AKH001–0004403901–0000）在可持续雨水管理领域的支持。
CRediT作者贡献声明
申英昂：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，方法学，调查，数据分析，概念化。许文高：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，监督，项目管理，方法学，概念化。赛菲克·沙哈鲁丁：撰写 – 审稿与编辑，方法学，调查。诺尔·阿里扎·阿齐赞：撰写 – 审稿与编辑，调查。穆斯塔法·卡马尔·耶德：验证，资金获取。努尔·迪安娜·迪诺：撰写 – 审稿与
