利用水生植物深度处理城镇污水处理厂二级出水：同步降毒与水质生态改善

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Advanced treatment of secondary effluent from municipal wastewater treatment plants by aquatic plants: Simultaneous toxicity reduction and ecological improvement of water quality

　　漂浮植物单元在降低尾水中的氮、磷营养物质和急性毒性方面表现良好；沉水植物和挺水植物单元在降低遗传毒性方面更有利，而挺水植物单元在降低雌激素活性方面表现更佳；沉水植物单元后接漂浮植物单元组成的三阶段组合配置在多种污染物和毒性指标上表现更优；急性毒性主要与COD及氮、磷营养物质相关，而遗传毒性和雌激素活性则与有机微量污染物更为密切相关。**引言**城市污水处理厂的尾水可用于农业、工业、市政及园林绿化等用途。然而，由于回用受限且水输送成本较高，大部分尾水仍以排放的方式排入附近的河流、湖泊及其他天然水体[1]、[2]、[3]、[4]。在中国，尾水排放受《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918–2002）等标准约束，而受纳水体的水质则根据指定的水体功能，对照《地表水环境质量标准》（GB 3838–2002）进行评估。对于保护目标更为严格的受纳水体，部分参数的环境质量限值远低于相应的尾水排放限值。因此，满足排放要求并不能消除对残余污染物负荷和与栖息地相关的水质条件在受纳水体保护方面的考量需求[5]、[6]、[7]。残余的氮、磷和有机物持续向受纳水体输入[8]、[9]。同时，溶解氧（DO）和浊度与氧气可用性及水下光照条件相关，这些水质方面无法仅通过常规污染物去除完全捕捉[10]、[11]。因此，深度尾水处理应同时关注残余污染物削减和改善与水生栖息地相关的水质条件。常规水质参数的改善可能无法全面反映处理尾水中残留的生物活性[12]、[13]。生物测试已越来越多地用于评价尾水质量。例如，美国环境保护署已将全效毒性（WET）测试纳入国家污染物排放消减系统（NPDES）许可框架，通过测试生物体的反应来表征尾水的综合毒性效应[14]、[15]。然而，同一水样对不同的测试生物体和终点指标会产生不同的反应，急性毒性终点的改善无法替代对遗传毒性和雌激素活性的评估[16]、[17]。这一关切与污水处理厂尾水中残留的有机微量污染物密切相关。尽管抗生素、农药、内分泌干扰物及某些持久性有机污染物通常以μg/L甚至ng/L的浓度存在[18]、[19]、[20]、[21]，但其中部分仍可贡献残余生物活性[22]、[23]。例如，双酚A和非离子表面活性剂等具有雌激素活性的化合物可干扰鱼类的内分泌调节，影响性分化和繁殖[24]。因此，常规污染物浓度的降低不一定与所有生物效应的减少相一致。即使目标微量污染物已得到削减，处理后水体的生物效应变化仍需要通过生物测试进行评估。因此，将常规水质参数、微量污染物检测与多种生物效应终点相结合，对于将深度尾水处理的评价从水质改善扩展到生态安全至关重要。人工湿地在污水处理厂尾水的深度处理中受到了广泛关注[25]、[26]。植物吸收、基质吸附、颗粒截留和微生物转化等过程可在单一系统内实现对多种污染物类别的去除[27]、[28]。与水中主要通过基质流动的潜流式人工湿地不同[29]，表流式人工湿地具有开放的水面，可根据处理需求灵活选择和配置漂浮植物、沉水植物和挺水植物。这些植物不仅有助于污染物去除，还可能影响水下光照、局部氧气条件以及微生物附着的表面可用性，为超越污染物削减的栖息地改善提供了机会[30]、[31]、[32]。水生植物在水柱中的空间分布、组织形态以及与水的接触方式各不相同。这些差异可直接或间接影响相关处理单元内的光合供氧、根际微生物活性和营养物质利用[33]、[34]、[35]。这为调整植物选择和配置提供了空间，同时也突出了需要根据具体处理目标评估各处理单元性能的需求。现有水生植物研究已为氮、磷和有机物的去除提供了大量见解[36]、[37]。然而，在共同评价框架下，针对常规水质改善、微量污染物去除和多种生物效应终点对不同植物处理单元进行系统比较的研究仍然有限[38]。整合这些维度有助于在植物功能类型之间及同类型内不同物种之间表征处理性能，阐明各单元在不同处理目标下的优势。当植物处理单元串联运行时，上游处理会改变进入下游单元的污染物负荷和水质条件。因此，系统性能可能不仅取决于所使用的植物处理单元，还取决于其排列顺序。仅凭单阶段实验中的物种表现无法确定串联系统中的适宜排列。在保持植物组成、阶段数、系统总体积和总水力停留时间不变的情况下比较不同配置，有助于识别处理顺序如何影响污染物去除和生物效应削减，从而为深度尾水处理的植物单元配置提供依据。为回答上述问题，本研究从漂浮植物、沉水植物和挺水植物三种功能类型中各选取两种常见水生植物物种，建立了单阶段、单物种处理单元。比较了它们在市政污水处理厂尾水中对COD、氮磷营养物质、重金属和有毒有机污染物去除方面的性能，以及溶解氧和浊度等与栖息地相关的水质参数改善情况。同时评估了急性毒性、遗传毒性和雌激素活性，以表征不同植物单元处理后尾水生物效应的变化。此外，通过改变植物处理单元的排列顺序，同时保持相同的三物种组成，建立了六种三阶段串联配置，并在相同指标下比较了其性能。研究了原水中污染物指标与毒性终点之间的关联，以及串联处理过程中各阶段污染物去除、水质改善与毒性削减之间的关系。本研究旨在确定固定植物组成下不同植物处理单元的优势及处理顺序的影响，为表流式人工湿地中植物单元的选择和配置提供实验依据。**章节片段****水样来源与质量**本研究使用的废水采集自中国南方某市政污水处理厂A/O工艺下游反硝化生物滤池的出水口。该厂原有的末端处理工艺为紫外-氯消毒。为评估水生植物作为末端深度处理策略的可行性，本研究专门处理了反硝化后的出水，以下称为尾水。新鲜尾水**COD与氮磷营养物质**在单阶段实验中，如图1(a)–(e)所示，六个植物处理单元的处理均显著降低了COD、TP、TN、NH?-N和NO??-N浓度。相比之下，无植物对照（CK1）未改善这些参数。六个植物处理单元之间的大多数成对比较显示，出水COD及氮磷营养物质浓度存在显著差异。总体而言，漂浮植物单元表现出最佳的去除效果**讨论**尽管本研究中的尾水满足GB 18918–2002一级排放标准，但从保护河流等受纳水体的角度来看，其残余污染物水平和溶解氧条件仍有必要进一步考量。以GB 3838–2002中适用于河流的III类限值作为参考值，尾水中的COD、TP和NH?-N浓度分别约为这些限值的2倍、3.5倍和3.2倍。虽然这些**结论**本研究系统评估了包含漂浮植物、沉水植物和挺水植物三种功能类型水生植物的处理单元对市政污水处理厂二级出水的深度处理性能，并考察了不同三阶段串联配置在常规水质改善、有毒有机污染物去除和生物效应方面的改善情况。结果表明，不同植物处理单元具有各自独特的处理优势。**CRediT作者贡献声明****潘晓娇：** 撰写——原稿、数据整理。**陈燕：** 资源。**郭林：** 撰写——审阅与编辑。**林波：** 软件。**利益冲突声明**作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。**致谢**本研究由中央引导地方科技发展基金项目（2025ZY01040）提供资金支持。