《Journal of Environmental Management》：Enhancing the removal of contaminants of emerging concern from wastewater effluents using recharge-dependent soil aquifer treatment with reactive barriers
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为解决污水处理厂出水中的新兴关切污染物去除难题，研究者探讨了补给方式与有机材料反应屏障如何影响土壤含水层处理系统的性能。研究发现，连续补给结合木屑或堆肥屏障，可通过对吸附和生物降解的促进，将CECs去除率提升至58%，优于脉冲补给。该研究为基于自然的低成本、可持续水回用技术优化提供了关键见解。
随着人类社会活动日益频繁，大量化学物质通过各种途径进入水环境，其中许多是传统污水处理工艺难以完全清除的“新兴关切污染物”。这类物质成分复杂、持续输入，且在环境中表现出持久性、生物累积性和潜在毒性，对生态系统和人类健康构成不容忽视的威胁。为此，寻找高效、低成本的深度水处理技术迫在眉睫。在众多解决方案中，基于自然的土壤含水层处理技术以其低能耗、无需外加化学药剂的特点受到青睐。然而，如何进一步提升其污染物去除效率，特别是针对性质各异的新兴污染物，仍然是该领域面临的关键挑战。发表在《Journal of Environmental Management》上的一项研究，为我们揭示了通过优化系统运行方式和添加天然材料屏障，来显著提升土壤含水层处理性能的可行路径。
为了深入探究这一问题，研究团队在西班牙东北部海岸的一个污水处理厂内，建立并运行了六个中试规模的土壤含水层处理系统。这些系统模拟了从补给区到含水层的完整处理过程。研究核心聚焦于两个关键变量：一是补给水的操作模式，即连续补给与脉冲补给；二是在非饱和带是否设置由天然有机材料构成的反-应屏障。研究人员选取了木屑和蔬菜堆肥作为屏障材料，并以纯沙系统作为对照。研究采用了先进的高分辨质谱技术，对进水和系统中不同监测点的水样进行了广泛筛查，半定量分析了多达726种常见于水环境的新兴污染物，最终对127种被检出的化合物进行了行为追踪。同时，团队还系统监测了溶解性有机碳、pH、氧化还原电位、溶解氧及多种离子浓度等关键理化参数，以全面解析处理过程中的环境条件变化及其与污染物去除的关联。
3.1. Effects of SAT system operational parameters on organic carbon removal efficiency
研究发现，溶解性有机碳的浓度变化揭示了系统内部活跃的生物地球化学过程。在连续补给模式下，含有反应屏障的系统在非饱和带释放了可生物利用的溶解性有机碳，这刺激了微生物活性，并沿着水流路径创造了一系列氧化还原梯度。pH值在整个系统中保持稳定，但在不同操作模式下呈现不同变化趋势：连续补给时，pH沿含水层略有下降，可能与微生物呼吸和硝化作用产酸有关；而脉冲补给时，pH在非饱和带后有所上升，暗示了后续发生的反硝化作用。铁和锰等变价金属离子的浓度变化，进一步证实了系统内存在从有氧到缺氧/厌氧的转变。主成分分析清晰地将连续与脉冲补给模式下的水化学特征区分开来，表明离子组成和氧化还原敏感过程是主导系统水化学分异的关键因素。
3.2. CECs load and removal
研究表明，含有反应屏障的土壤含水层处理系统能有效降低新兴关切污染物的总负荷，且连续补给模式下的整体去除效果优于脉冲补给。在连续补给下，木屑屏障系统和堆肥屏障系统的总去除率分别达到58%和35%，而脉冲补给下的去除率仅为20-25%。有趣的是，脉冲补给可能导致污染物在非饱和带出现暂时性释放，但在后续的含水层运移过程中能得到进一步去除。木屑屏障在所有情况下都表现出最高的去除效率。研究还发现，新兴关切污染物的去除效率与其物理化学性质密切相关：低分子量、极性、芳香族且易于生物降解的化合物去除效果较好；而非极性、化学性质稳定的化合物则表现出较低的去除率甚至出现累积。
3.3. Individual CECs behaviour
对单个化合物行为的深入分析揭示了其去除机制的复杂性。在127种被定量的化合物中，53种在两种操作模式下浓度均下降，表明系统能有效去除这些物质。然而，有24种化合物在两种模式下浓度均增加，这可能源于其前体物或转化产物的分解。更有19种化合物的行为因补给模式而异：例如，达芦那韦等6种化合物在脉冲补给下被去除，却在连续补给下浓度增加；而氟康唑等13种化合物则表现出相反的趋势。主成分分析表明，化合物的疏水性、电离状态以及化学结构稳定性是决定其在系统中迁移和归宿行为的主要因素。亲水性和在系统pH下呈中性的化合物更易迁移，而疏水性强或能与有机质/矿物表面发生作用的化合物则更容易被截留。
4. Comparative performance of SAT systems
与多数强调脉冲或好氧条件更利于污染物去除的既往研究不同，本研究发现连续补给模式结合有机反应屏障能取得更优的整体去除效果。研究者分析，这可能与本研究所采用的脉冲周期较短有关，短暂的干湿交替可能不足以建立强好氧条件，反而扰乱了由屏障释放溶解性有机碳所维持的稳定微生物群落和氧化还原梯度，从而限制了多种降解途径的发挥。此外，本研究覆盖的污染物种类更广，包括了更多依赖还原条件或持续微生物活性的化合物，这可能也是导致观察到的平均去除率差异的原因之一。
5. Conclusions and outlook
综上所述，这项研究证实，配备天然有机材料反应屏障的土壤含水层处理系统能显著提升对新兴关切污染物的去除能力。连续补给模式通过提供稳定的水文和氧化还原条件，更有利于污染物的吸附和生物降解，其性能优于本试验中所采用的短周期脉冲补给。该技术的成功应用，不仅能够生产出更安全的高品质再生水，以应对淡水短缺危机，而且因其利用本地易得的低成本材料，实现了有机废弃物的资源化，展现出了良好的成本效益和环境可持续性。这些发现为在缺水地区设计和推广高效、经济的基于自然的水回用解决方案提供了重要的科学依据和实践指导。
