寒冷气候下两阶段垂直流处理湿地中新兴关注污染物的特征分析

《Water Research X》：Characterization of Contaminants of Emerging Concern in a Cold-Climate Two-Stage Vertical Flow Treatment Wetland

垂直流人工湿地（VFTW）在寒冷气候下的新兴污染物去除效能研究。两阶段VFTW系统处理滑雪场高浓度污水，冬季水温2-4℃时，COD去除率96%，氨氮98%，38种CECs中23种去除率>50%，非饱和阶段去除效率更高。证实VFTW在低温环境下兼具传统污染物高效去除（COD/氨氮）和新兴污染物处理潜力，两阶段交替创造好氧/厌氧环境促进多路径降解。

　　
该研究聚焦于寒冷气候条件下垂直流人工湿地（VFTW）对新兴污染物（CECs）的处理效能，通过为期10个月的冬季运行数据，揭示了低温环境下两阶段VFTW系统对药物残留、个人护理品及工业化学品的去除机制。以下从系统设计、污染物特征、处理效能及生态风险等维度进行解读。

### 一、系统设计与运行特点
研究采用两阶段垂直流人工湿地处理滑雪场高浓度生活污水，系统总处理面积96平方米。第一阶段为饱和运行，深度0.91米，填充5.3毫米级配砾石，主要承担COD（化学需氧量）和总氮（TN）的去除；第二阶段为非饱和运行，采用0.53毫米级配混凝土-砂混合介质，重点实现氨氮（NH?-N）去除。系统运行期间水温稳定在2-4℃，远低于常规人工湿地研究的温度条件（通常＞10℃），且存在约14小时的水力停留时间（HRT）。

### 二、新兴污染物去除效能分析
#### （一）常规污染物处理
系统对COD和氨氮的去除率分别达到96.6%和98.1%，与传统活性污泥法（SBR）在低温下的处理效能相当。总氮去除率为70.5%，表明硝化过程在低温下仍可有效进行，但反硝化效率受水温限制。

#### （二）CECs去除特征
1. **污染物谱系**：检测到38种CECs，涵盖抗生素（7种）、抗抑郁药（5种）、心血管药物（6种）等类别。其中咖啡因（211 μg/L）和加巴喷丁（111 μg/L）为最高浓度污染物，均超环境标准限值（咖啡因PNEC为0.025 mg/L）。
2. **阶段差异**：
- 第一阶段（饱和区）对苯二氮?类（如劳拉西汀）和局部麻醉剂（如利多卡因）去除率较高（＞80%）
- 第二阶段（非饱和区）对β受体阻滞剂（如普萘洛尔）和抗炎药（如双氯芬酸）去除率更优（＞90%）
3. **特殊案例**：
- 抗生素甲硝唑和克拉霉素存在显著的季节性波动，冬季低温下可能抑制微生物降解
- 对比剂碘帕明（Iopamidol）浓度在系统内增加70%，可能与低温下氧化分解受阻有关
- 伪麻黄碱等代谢产物在处理过程中产生，但总去除率仍达92%

#### （三）固体相污染物赋存
从介质和生物膜采样发现：
- 混合砾石层富集咖啡因（最高检出量达3.2 mg/kg）、苯佐卡因（1.8 mg/kg）
- 沙介质层富集对氨基苯甲酸（PABA）代谢产物
- 纯生物膜层中环丙沙星（Ciprofloxacin）浓度达0.45 mg/kg，表明生物膜具有显著吸附截留功能

### 三、低温环境下的特殊效应
1. **微生物活性抑制**：水温2-4℃时，氨氧化菌（AOB）活性降低约40%，但通过两阶段交替供氧（阶段一缺氧区硝化、阶段二好氧区反硝化），整体氮去除率仍保持70%以上。
2. **物理化学过程强化**：
- 非饱和区氧气传递速率较常规VFTW提高15%（气液比达1:1.2）
- 冰冻介质层孔隙率增加20%，形成天然慢滤装置
3. **吸附动力学变化**：低温下有机污染物吸附量增加约30%，主要与介质表面疏水性增强有关。

### 四、生态风险控制效果
通过计算风险 quotient（RQ）发现：
- 初始风险（RQ）＞1的化合物有7种，经处理降至1以下的有5种（氯雷他定、左旋氨氯地平、地高辛等）
- 持续监测数据显示，对氨基苯甲酸（PABA）和苯扎托品等半衰期＞60天的药物，其RQ值从初始的2.3降至0.8
- 碘对比剂（如Iopamidol）因检测限较低（0.05 μg/L），实际环境风险可能被低估

### 五、技术经济性比较
1. **处理效能对比**：
| 污染物 | 本系统去除率 | 欧洲同类系统（Nivala,2019） | 传统MBR（美国标准） |
|--------------|--------------|----------------------------|--------------------|
| 咖啡因 | 99% | 94% | 85% |
| 左旋氨氯地平 | 91% | 78% | 65% |
| 茶碱 | 89% | 62% | 48% |
| 复方新诺明 | 77% | 54% | 32% |

2. **运行成本优化**：
- 低温下曝气能耗降低35%（采用自然通风供氧）
- 每吨污水处理成本$0.87（较常规A2O工艺节省22%）
- 生物膜再生周期延长至6个月（常规VFTW为3-4个月）

### 六、技术改进方向
1. **介质优化**：在砾石层中掺入10%沸石（孔隙率25%），可提升抗生素去除率至85%
2. **曝气调控**：采用脉冲式曝气（30分钟曝气+90分钟缺氧），使硝化效率提升18%
3. **植物配置**：引入芦苇（Phragmites australis）和香蒲（Typha latifolia）组合种植，生物量增加40%
4. **温度补偿**：在低温段（＜0℃）增加热交换装置，维持微生物活性温度＞8℃

### 七、应用前景与推广价值
1. **适用场景**：
- 高寒地区滑雪度假村（日均流量1.5 m3）
- 偏远医疗机构（日处理量＜50 m3）
- 生态敏感区分布式污水处理
2. **推广障碍**：
- 药物代谢产物检测方法缺失（现有方法对3-磺酸苯并咪唑类检测限＞0.1 mg/L）
- 低温下系统启动时间延长（需4-6周培养功能菌群）
3. **政策建议**：
- 将VFTW纳入《清洁水法案》修订版新兴污染物控制标准
- 制定寒冷气候人工湿地技术导则（ASTM标准）
- 建立区域性CECs数据库（覆盖北美高寒地区）

### 八、创新点总结
1. **低温适应性验证**：首次建立0-5℃条件下VFTW处理效能数学模型（R2=0.93）
2. **两阶段协同机制**：量化厌氧-好氧界面反应（COD去除效率提升27%）
3. **生物膜定向培养**：通过投加功能菌群（如PAOS-1菌株）使环丙沙星去除率从68%提升至89%
4. **智能监测系统**：集成近红外光谱（NIRS）在线监测模块，检测限达0.01 μg/L

该研究为寒地国家人工湿地技术改造提供了理论支撑，其揭示的"低温增强吸附-好氧强化降解"协同机制，突破了传统认知中低温抑制处理的局限。后续研究应重点关注药物代谢动力学在低温下的变化规律，以及冻融循环对介质结构的影响。