《Ecological Engineering》：Comparative evaluation of full-scale treatment wetland, high-rate algal pond, and activated sludge system for municipal wastewater treatment
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基于自然的解决方案为传统活性污泥(CAS)系统在城市污水处理中提供了可持续的替代方案，但针对全尺度的全面比较研究仍然有限。本研究评估了三个并行运行且接收相同进水的全尺度处理系统的长期同步性能：CAS系统、处理湿地(TW)以及高藻塘(HRAP)。性能监测持续了两
基于自然的解决方案为传统活性污泥(CAS)系统在城市污水处理中提供了可持续的替代方案，但针对全尺度的全面比较研究仍然有限。本研究评估了三个并行运行且接收相同进水的全尺度处理系统的长期同步性能：CAS系统、处理湿地(TW)以及高藻塘(HRAP)。性能监测持续了两个生长周期，重点关注有机物、悬浮固体和营养物质的去除。此外，还测试了HRAP系统在不同水力停留时间(HRT)和生物质回收策略下的运行表现。结果表明，尽管CAS系统和TW系统实现了稳定的有机物去除（BOD5去除率分别为97%和89%），但HRAP系统的效率受到出水中藻类生物质分离不充分的限制。HRAP实现的铵态氮(NH4+-N)去除率（86 ± 24%）显著高于CAS和TW系统。HRAP和TW系统均显著降低了总磷(TP)（分别为53 ± 29%和56 ± 26%）。在延长保留时间与结合生物质回收的条件下运行HRAP表现出稳定的性能。悬浮固体和BOD5的去除得到显著改善，出水浓度分别达到39 ± 30 mg/L和18 ± 9 mg/L；然而，营养物质的去除保持不变。研究证实，尽管CAS系统占地面积小且高效，但HRAP和TW系统提供了可行的、低能耗的替代方案，并具有资源回收和环境足迹较低等额外优势。这些发现支持将藻类和湿地技术整合到分散式处理方案中，有助于实现水部门循环经济的目标。
随着环境污染对人类健康、生态系统和气候的影响日益加剧，社会各界对环境质量的需求不断提高，推动环保标准与法规日趋严格。欧盟修订的《城市污水处理指令》标志着管理重心的转移，从大型集中化系统的基本有机物去除，转向纳入更小规模系统、严格脱氮除磷、去除新污染物并实现能源中和的整体管理路径。尽管传统污水处理厂能达到现行营养物排放限值，但往往伴随温室气体排放和营养物质的永久流失。为应对这些挑战，基于自然的解决方案如处理湿地和多藻塘因其低能耗、环境友好及资源回收潜力，在分散式污水处理中备受关注，尤其契合循环经济目标。
现有文献多依赖中试或实验室模型及人工配水，缺乏在真实市政污水条件下的全尺度并行对比评估。为此，研究人员开展了一项发表于《Ecological Engineering》的研究，旨在比较TW、HRAP与CAS系统在处理实际市政污水时的长期同步性能及资源回收能力，并评估不同HRT和生物质回流对HRAP运行极限的影响。研究证实，NBS在中小型社区具有与CAS相当的标准污染物去除能力，且具备低能耗和资源回收优势，对推动水领域循环经济与未来深度处理具有重要战略意义。
研究人员在2019和2020年的生长季开展了全尺度系统对比，并于2024年进行了HRAP延长HRT与生物质回流的改良运行。样本队列来源为斯洛文尼亚Ajdov??ina中心污水处理厂一级处理出水。主要关键技术方法包括：利用多探头系统进行现场理化参数测定；采用标准呼吸量法与比色法分析生化需氧量(BOD5)与化学需氧量(COD)；使用高效液相色谱法(HPLC)精确检测低浓度硝态氮(NO3--N)；结合显微镜检进行微藻种群分类鉴定；并运用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)定量元素组成。
研究结果与讨论：
1. 现场理化参数
通过对进出水理化参数的监测发现，HRAP出水的pH值和溶解氧(DO)浓度最高。这归因于微藻-细菌共培养物的代谢活动，特别是微藻光合作用中的产氧与CO2消耗。由于HRAP的开放结构，出水温度受环境气候影响显著。在延长的HRT与生物质回流操作下，理化参数未发生显著改变。
2. 处理效率跨系统比较
2.1 悬浮固体与有机物去除
监测显示TW与CAS对总悬浮固体(TSS)的去除效果显著优于HRAP。HRAP出水中TSS较高主要是由于新生微藻生物质沉降性能不足。在有机物去除方面，CAS和TW对BOD5和COD的去除效率最高且满足法规要求，而HRAP由于未沉降的藻类生物质导致COD去除效果不理想。
2.2 营养物质去除
HRAP对NH4+-N的去除效率高达86 ± 24%，显著优于TW和CAS，这得益于微藻对氨的直接吸收及光合释氧促进的硝化作用。在磷去除方面，HRAP与TW均显著降低了总磷(TP)。TW初期表现出较高的TP去除率主要源于新基质提供的充足吸附位点。尽管各系统均能去除营养物，但局限于生物质分离难题，HRAP未能完全满足严格的深度脱氮除磷限值。
2.3 大量元素、微量元素与潜在有毒元素
通过元素分析显示，HRAP与TW对部分大量元素（如K、Ca、Mg）的去除微乎其微。这部分保留在处理出水中的元素对于将污水回用于农业灌溉具有积极作用，可作为天然肥料替代部分合成化肥。
3. 不同操作条件下HRAP的运行性能
3.1 有机物及悬浮固体去除
在HRT 35 + R的极端操作模式下，Pediastrum boryanum成为优势微藻物种。该模式显著降低了出水TSS浓度并提升了BOD5去除效果。然而，由于胞外聚合物(EPS)的积累及蒸发浓缩效应，COD仍居高不下，说明出水中残留了生物难降解的溶解性有机物。
3.2 氮去除动态
测试表明NH4+-N在设定的三种HRT模式下均得到了高效去除。由于进水NO3--N浓度极低，且系统微藻倾向于直接同化NH4+-N，因此延长的HRT并未显著改变总氮的绝对去除效率，但增强了出水水质的稳定性。
3.3 磷去除动态
研究发现，延长HRT并实施生物质回流使得营养化学计量比更接近微藻最佳吸收范围。尽管此模式未提升磷的绝对去除率，但这意味着更多氮被消耗而磷在出水中相对保留，这种脱氮除磷偏倚为后续将出水应用于农业肥灌并减少合成肥料使用提供了潜力。
结论：
本研究在真实运行条件下证实，TW和HRAP等NBS系统能够为市政污水处理提供切实可行的替代方案，其在满足中小型城镇污水二级与深度处理需求方面的表现可媲美CAS，同时具有广阔的资源回收潜力。研究发现，通过将HRT延长至35天并结合生物质回流，即使面临底物受限条件，HRAP依然能维持系统效能的稳定性，并在改善TSS与BOD5出水水质方面取得了显著成效。该系统在营养物质回收并转化为微藻-细菌生物质方面展现出极高的应用价值，可向农业系统直接供料。未来研究应进一步聚焦于优化生物质回收技术，探讨NBS对微塑料及CECs的深度去除效能，并探索多技术混合配置，以在实现严格出水标准的同时推动污水处理向“绿色产品”工厂的转型。
