《Wetlands》：Influence of operational conditions on the efficiency of Wolffia brasiliensis for polishing domestic wastewater from facultative stabilization ponds
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稳定塘在发展中国家被广泛用于污水处理，但在去除某些污染物方面存在局限性，因此需要通过深度净化（polishing）工艺提升出水水质并减轻环境影响。水生大型植物，尤其是浮萍科（Lemnaceae）植物，凭借其快速繁殖和高营养吸收能力，提供了一种低成本、高效的
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稳定塘在发展中国家被广泛用于污水处理，但在去除某些污染物方面存在局限性，因此需要通过深度净化（polishing）工艺提升出水水质并减轻环境影响。水生大型植物，尤其是浮萍科（Lemnaceae）植物，凭借其快速繁殖和高营养吸收能力，提供了一种低成本、高效的替代方案。本研究评估了运行条件对巴西芜萍（Wolffia brasiliensis）生长及其对兼性稳定塘出水深度净化效率的影响。评估参数包括化学需氧量（chemical oxygen demand, COD）、生化需氧量（BOD?,??）、总氮（total nitrogen, TN）和总磷（total phosphorus, TP）。试验设置三种培养条件：未处理出水、循环出水（流量6×10?3 L s?1）以及10%稀释出水。试验分别在室内（21,818 lx，24 °C±1.3 °C）和室外（自然条件，31 °C±3.5 °C）进行。总体而言，生物膜的形成阻碍了室外单元中大型植物的生长和污染物去除。室内条件下的生物量（183.56±74.1 g m?2）高于室外（54.89±37.6 g m?2）。循环出水条件下生长速率最高（室内42.06±33.1 g m?2 d?1，室外15.70±11.7 g m?2 d?1）。与对照组相比，所有含W. brasiliensis的单元均显著提升了污染物去除效果。虽然为期35天的试验仅捕捉到过渡阶段的表现，且更长的运行时间可能因生物膜衰老或营养限制而降低效率，但研究结果凸显了W. brasiliensis作为兼性稳定塘出水深度净化替代方案的潜力，尤其是在BOD?,??、COD、TN和TP去除方面，进一步印证了其在发展中国家污水管理中的应用价值。
论文解读文章：
一、研究背景与问题提出
稳定塘作为一种简单、低成本的污水处理技术，在发展中国家得到广泛应用，尤其适合热带和亚热带地区，因为当地土地价格低廉且高温和充足的日照有利于生物降解过程。据巴西国家水务局统计，2020年稳定塘占巴西3,600座污水处理厂中32%的比例，是主要的处理技术。然而，稳定塘虽然在有机物去除方面表现良好，但在氮和磷等营养盐的去除方面效率有限，导致受纳水体富营养化和水质下降。稳定塘出水中总氮浓度通常为20–60 mg L?1，总磷为3–15 mg L?1，这些浓度往往超过监管限值，例如巴西CONAMA 430/2011号决议对营养盐排放的控制要求。因此，需要既高效又低安装成本的深度净化技术。水生大型植物，特别是浮萍科植物，因其结构简单、光合组织占比高、对污染物耐受性强以及快速繁殖和高营养吸收能力，成为有前景的解决方案。其中，芜萍属（Wolffia）是浮萍科中最小的大型植物，具有极快的繁殖和生长速率。已有研究表明，Wolffia globosa在实验室条件下对总无机氮和正磷酸盐的去除效率超过99%，Wolffia arrhiza对稳定塘出水的总磷去除率为84%、总氮为46%、BOD?,??为76%、COD为69%。然而，关于Wolffia属的研究相对较少，且现有研究多集中于使用合成废水的受控条件，缺乏在真实废水条件下的性能数据。稀释和循环等运行因素对大型植物生长和处理效率的影响尚不明确，尤其是在热带气候条件下的表现数据更为有限。因此，本研究旨在评估巴西芜萍（W. brasiliensis）在三种不同运行条件下对巴西圣保罗州Ilha Solteira污水处理厂兼性稳定塘出水的深度净化效果，重点关注运行条件对植物相对生长速率以及COD、BOD?,??、TN和TP去除效率的影响，为湿地设计和建设提供参考。
二、研究内容与主要结论
研究人员在巴西圣保罗州立大学Ilha Solteira校区的土木工程系卫生实验室开展了为期35天的试验。试验废水取自Ilha Solteira污水处理厂一级兼性塘出水，该厂服务巴西典型的中小规模城市污水系统。试验设置三种培养条件：未稀释无循环出水（UW）、10%稀释出水（ED）以及未稀释带循环出水（CR，循环流量6×10?3 L s?1）。每种条件设置3个重复，同时设置仅含出水的对照单元（C）。试验在室内（LED灯照明，12小时光暗周期，光强21,818 lx，温度24 °C±1.3 °C）和室外（温室，自然条件，温度31 °C±3.5 °C）两个环境同步进行。初始植物生物量密度统一为200 g m?2。每周监测BOD?,??、COD、TN和TP浓度，计算去除效率；同时监测温度和pH。植物生长以基于干物质的相对生长速率（RGR）量化。统计分析采用完全随机设计，使用Sisvar软件进行Shapiro-Wilk正态性检验、方差分析和Scott-Knott均值聚类检验，显著性水平为5%。
三、主要研究结果
监测参数方面，室外温度显著高于室内（30.40 °C±3.5 °C对24.21 °C±1.3 °C），室外温度经常超出Wolffia的适宜生长范围（17–30 °C或17.5–34 °C），而室内条件更接近最适范围。pH方面，从试验第7天起，室外单元的pH值显著高于室内（9.81±1.3对7.83±0.4）。室内pH值处于Wolffia适宜范围（7.00–8.00），而室外的高pH可能促进了铵（NH??）向氨气（NH?）的转化和挥发损失，同时高pH和高温度可能抑制了植物生长。
相对生长速率方面，在两个环境中，CR条件均表现出显著更高的生物量和生长速率，这可能与循环促进的混合效应改善了营养分布和植物与废水的接触有关。ED条件因稀释导致营养浓度降低，生长速率显著低于UW和CR。所有试验单元的最大相对生长速率均出现在第7天，室内CR单元最高达98.21±7.4 g m?2 d?1，室外CR单元为35.47±1.3 g m?2 d?1。第7天之后生长速率下降，原因是植物已覆盖整个水面，达到表面密度饱和。室内单元从第7天起生长速率和生物量显著高于室外，这归因于受控的环境条件。此外，室外单元出现了由微藻和细菌组成的生物膜，可能通过空气传播的微生物接种形成，而室内单元未观察到生物膜。生物膜的形成与室外不利的生长条件相吻合。
出水深度净化方面，从第7天起，室外单元的COD和BOD?,??浓度显著高于室内，对照单元的浓度显著高于含W. brasiliensis的单元，表明植物具有降低COD和BOD?,??的能力。相反，室外单元的TN和TP浓度显著低于室内。这种差异可能源于有机物和营养盐的去除受部分重叠但不同的生物地球化学路径控制：BOD?,??和COD的降低主要反映微生物对可生物降解和可氧化有机物的分解转化，而TN和TP的去除还涉及植物吸收、微生物固定、硝化-反硝化、沉降以及吸附或沉淀过程。室外单元中生物膜可能通过微生物吸收和同化促进了TN和TP的去除。含Wolffia的单元在所有参数和两个环境中均显著优于对照单元。BOD?,??和COD的最高去除效率出现在室内单元（UW条件分别达91%和76%），而TN和TP的最佳去除效果出现在室外单元，TP去除效率超过99%。室外单元中植物衰老和分解可能释放了有机物，导致BOD?,??和COD去除效率较低，而生物膜对营养盐的吸收速率可能超过植物组织分解的释放速率，从而维持了较高的营养盐去除效率。室外对照单元出现了BOD?,??和COD的负去除效率，可能与分解生物量释放有机物有关。
四、讨论总结与研究结论
研究人员指出，本研究仅覆盖35天的过渡阶段，未能捕捉生物膜发展的长期轨迹。随着运行时间延长，生物膜趋于稳定，衰老或生物量脱落可能将先前吸收的营养盐释放回水体，降低整体处理效率。因此，主动管理至关重要，定期收获生物量或控制性扰动表层已被证明可以维持营养盐去除并防止营养盐再释放。室外单元展示了不同生物地球化学路径之间的权衡：在碱性条件下通过植物吸收、微生物固定、硝化-反硝化和氨挥发实现的增强营养盐去除，与较低的可生物降解和可氧化有机物去除效率同时发生。研究结论表明，W. brasiliensis可作为兼性稳定塘出水深度净化的有效替代方案，特别是在BOD?,??、COD、TN和TP去除方面，其在发展中国家污水管理中具有应用潜力。本研究为设计和建造种植W. brasiliensis的湿地提供了有价值的见解，支持环境管理中更可持续解决方案的发展。
