第一作者：Kefeng Zhang
通讯作者：Kefeng Zhang
通讯单位：澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）土木与环境工程学院水研究中心
DOI:10.1016/j.watres.2024.122953
植被生物过滤系统（VBS）是一种有效的城市雨水和中水处理绿色技术。然而，VBS 在有效处理废水，尤其是含有痕量有机化学物质 (TrOC) 的废水方面还有待优化。植物物种对 TrOC 废水负载的影响尚未得到研究。本研究测试并评估了 VBS 在一年时间内去除废水中常见的六种 TrOCs（即咖啡因 (CAF)、扑热息痛 (PCM)、磺胺甲噁唑 (SMX)、N-二乙基-间甲苯胺 (DEET)、双酚 A (BPA) 和布洛芬 (IBU)）的效果。在为期一年的实验室柱状研究中，对 11 种 VBS 配置进行了测试，以探索七种不同的植物物种（特性各异）、不同的土壤介质深度和土壤特性对系统中 TrOCs 的归宿的影响。研究还探讨了不同操作条件（如加药量和制度）对去除效率的影响。结果表明，在整个实验过程中，VBS 能够保持较高的 CAF、BPA 和 IBU 去除率（>95%），其次是 PCM（>79%）、SMX（50%-80%）和 DEET（<12%）。植物种类对 SMX 和 DEET 的去除率有很大影响（p < 0.05），其中 C. indica 的去除率最高。降低水力负荷率、减少每日给药量和次数对 PCM、SMX 和 DEET 的去除率有积极作用。在过滤介质中，尤其是在饱和区，检测到了 SMX、DEET 和 BPA 的明显累积（分别为 8.2、43.1 和 54.5 ng-g-1）。植物根部组织中的化学物质浓度（即 CAF 和 DEET）高于植物芽部组织。这项研究为 VBS 去除 TrOCs 的设计和操作方面提供了宝贵的见解。
为了填补这些空白，本研究旨在探索各种 TrOCs 在种植了不同植物物种并在不同条件下运行一年的 VBS 中置池中的去向。通过探索 VBS 中去除 TrOC 的基本机制，本研究解决了以下几个具体的研究问题：
-在为期一年的实验期间，植物种类选择和过滤介质设计对 TrOC 的处理效果有何影响？
-运行条件（负荷率、接触时间、干湿条件）对 TrOC 去除效率有何影响？
-土壤介质和植物组织中的 TrOC 积累情况如何？
Fig. 1. Left: schematic drawing of VBS column (for the standard design heigh); right: VBS columns in the glasshouse.
Fig. 2. Experimental timeline.
Fig. 3. media sampling: a). the upper three layers (fine sands with roots) of C. appressa in the top unsaturated zone; b). Schematic diagram for VBS column; c). Root systems of C. indica (left), C. appressa (middle) and C. alternifolius (right) in the unsaturated zone; d). lower two (mix of gravel and woodchips) of C. appressa in the bottom saturated zone.
Fig. 4. Percentage removal of six Trace Organic Chemicals (TrOCs) on VBS columns with various plants. The removal is the average value of three standard sampling events (i.e., 130 mm·h-1 HLR, 30 L daily dosing volume and 2-day HRT). The inflow concentration of each TrOC was ∼ 10 µgL-1. CAF-Caffeine, PCM-Paracetamol, SMX-Sulfamethoxazole, BPA-Bisphenol A, IBU-Ibuprofen. The Log Kow value is indicated in parentheses next to each TrOC on the x-axis labels.
Fig. 5. Percentage removal of six Trace Organic Chemicals (TrOCs) across different system designs. The removal is the average value of three standard sampling events (i.e., 130 mm·h-1 HLR, 30 L daily dosing volume and 2-day HRT). The inflow concentration of each TrOC was ∼ 10 µgL-1. The numbers (i.e., 300 and 800) in the legend represent the filter media depth in the top unsaturated zone, ‘WC’ indicates the bottom saturated zone filter media was woodchip whereas mix of gravel and woodchip (v/v = 1) was used in all other designs. CAF-Caffeine, PCM-Paracetamol, SMX-Sulfamethoxazole, BPA-Bisphenol A, IBU-Ibuprofen. The Log Kow value is indicated in parentheses next to each TrOC on the x-axis labels.
Fig. 6. Removal of TrOCs under different operational conditions in (a) unvegetated control, (b)overall least effective plant-J. kruassi and (c) the best performing plant-C. indica. The inflow concentration of each TrOC was ∼ 10 µgL-1. CAF-Caffeine, PCM-Paracetamol, SMX-Sulfamethoxazole, BPA-Bisphenol A, IBU-Ibuprofen.
这项研究评估了 VBS 在不同操作条件和系统设计下去除痕量有机化学品的效果。结果表明，在标准加药制度下，两种疏水性化合物（BPA 和 IBU）和两种亲水性化合物（CAF 和 PCM）的去除率较高（79%-99%）。SMX 的去除率适中（50%-80%），DEET 的去除率可忽略不计（<12%）。植物物种 C. indica 的存在大大提高了 SMX 和 DEET 的去除率，突出了植物物种选择在化学去除过程中的重要性。研究结果表明，在设计和运行 VBS 系统时，应仔细考虑系统的运行条件。虽然降低 HLR、减少每日投药量和减少投药次数可以提高系统性能，但它们不可避免地需要更多空间，并增加了总占地面积。未来的研究需要开发出更好地将这些系统融入社区的方法，同时保持当地环境和分散式污水处理系统的完整性。
土壤累积研究结果表明，饱和带的化学累积量超过非饱和带，而在非饱和带中，表土层的累积量更高。三种植物中都检测到了 CAF 和 DEET，其中根部的浓度（57.0 纳克-克-1）明显高于芽部（14.3 纳克-克-1）。未来的研究可以探索 VBS 中化学物质的质量平衡，并调查微生物群落，以更好地了解这些系统中化学物质的去除机制。
Kefeng Zhang, Lihao Yuan, Ana Deletic, Veljko Prodanovic, Fate of wastewater trace organic chemicals in vegetated biofiltration systems, Water Research, 2025, https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122953
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