曝气人工湿地处理合流制溢流的长效性能评估：意大利梅罗内全尺寸系统两年监测研究

《Journal of Environmental Management》：Aerated wetland for the treatment of combined sewer overflow: Long-term monitoring of Merone full-scale system

本研究针对合流制溢流（CSO）污染控制难题，创新性地对意大利梅罗内污水处理厂上游的全尺寸曝气人工湿地（TW）展开两年监测。结果表明，强制曝气显著提升了系统对COD（85.3%）、BOD5（89.0%）、TSS（95.6%）和铵态氮（66.6%）的去除效率，并证实基于实时COD监测的自适应曝气策略可降低43%能耗。该研究为高负荷CSO的可持续治理提供了关键技术支撑。

　　

在城市水环境管理领域，合流制溢流（Combined Sewer Overflow, CSO）一直是令人头疼的难题。当下大雨或融雪时，污水和雨水混合后流量激增，超过污水处理厂的处理能力，未经处理的污水便会直接排入河流湖泊，带来有机物、营养盐、悬浮固体乃至重金属、微塑料（Microplastics, MPs）和病原体等多重污染。传统解决方案如地下调蓄池虽能暂缓问题，但存在建设成本高、能耗高、维护复杂等弊端。在此背景下，自然解决方案（Nature-based Solutions, NbS）尤其是人工湿地（Treatment Wetlands, TWs）因其生态友好、运行成本低等优势逐渐受到关注。然而，全尺寸曝气人工湿地在高变负荷CSO条件下的长期运行数据极为匮乏，特别是对于设置在污水处理厂上游的湿地系统，其性能表现更是未知数。

为了填补这一空白，由意大利佛罗伦萨大学R. Bresciani等人组成的研究团队，在《Journal of Environmental Management》上发表了他们对意大利梅罗内污水处理厂上游全尺寸曝气人工湿地长达两年的监测研究成果。该研究系统评估了湿地对常规污染物、营养盐、重金属、有机微污染物、病原体及微塑料的去除效能，并创新性地提出了基于实时化学需氧量（COD）监测的自适应曝气策略，为高效低碳的CSO治理提供了重要实践依据。

研究人员主要采用了现场监测与实验室分析相结合的技术路线。他们在湿地进、出水口设置自动采样器，采集复合水样，监测包括pH、五日生化需氧量（BOD₅）、化学需氧量（COD）、总悬浮固体（TSS）、总氮（TN）、铵态氮（N-NH₄⁺）等常规指标；利用电感耦合等离子体光谱（ICP-OES）分析重金属；通过高效液相色谱-串联质谱（HPLC-MS/MS）检测药品和个人护理用品等有机微污染物；借助热裂解-气相色谱/质谱（Pyr-GC/MS）定量微塑料；并委托外部实验室检测病原菌指标。此外，通过可编程逻辑控制器（PLC）系统记录水力负荷、水位及能耗数据，并测试了三种不同曝气方案的运行效果。

3.1. 常规污染物与曝气优化

梅罗内曝气湿地在两年内累计处理CSO水量超过40万立方米/年，水力负荷率（HLR）高达100-140立方米/（平方米·年），远高于传统被动湿地的设计限值（40-60立方米/（平方米·年））。系统运行稳定，未出现堵塞现象，对COD、BOD₅、TSS和N-NH₄⁺的去除率中位数分别达到85.3%、89.0%、95.6%和66.6%。研究表明，强制曝气通过提高溶解氧，有效促进了有机物的好氧降解和硝化作用。在曝气优化实验中，即使将曝气量减半（Aeration Plan 2），系统对COD和BOD₅的去除效率仍保持在84.9%和89.8%，证实了节能运行的可行性。

3.2. 金属与半金属去除

湿地对铅（Pb）、铜（Cu）、锌（Zn）和铝（Al）的去除效率较高（80.8%-94.2%），这主要得益于吸附作用以及铁铝氧化物的共沉淀。而镍（Ni）、锰（Mn）和硼（B）的去除率较低（9.1%-29.9%），与其溶解性高、氧化动力学慢有关。曝气促进了二价铁（Fe²⁺）向三价铁（Fe³⁺）的氧化，形成氢氧化铁沉淀，进一步增强了重金属的截留。

3.3. 病原体与有机微污染物

湿地对总大肠菌群、大肠杆菌（E. coli）、肠球菌等的去除率在0.5-2对数单位之间，虽有效降低了病原体浓度，但出水仍未能达到欧盟2020/741号条例的水回用标准，暗示如需回用需后续消毒。有机微污染物的去除因物质而异：咖啡因、罗苏伐他汀等去除率可达51%-81%，而阿替洛尔、苯并三氮唑等可溶性物质去除率较低（20%-50%。研究指出，曝气主要通过维持好氧条件促进某些药物的生物降解，但对持久性化合物的去除贡献有限。

3.4. 微塑料

系统对绝大多数微塑料聚合物（如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、尼龙-66等）的去除效率在70%-90%之间，主要依靠过滤和吸附作用。但聚乙烯（PE）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的去除率较低甚至为负值，可能与进水浓度剧烈波动有关。与被动湿地相比，曝气提升了微塑料去除的稳定性。

3.5. COD在线传感器与成本分析

尽管在线COD传感器在CSO事件中测量误差较大（中位误差105%-136%），但其能可靠识别“初雨效应”引起的高浓度COD峰值，为按需曝气提供了信号。模拟显示，基于COD阈值的自适应曝气策略可将曝气时间缩短至CSO事件时长的10%，年节能量43兆瓦时（MWh）。成本分析表明，曝气湿地的单位运营成本（0.10欧元/立方米）仅为灰色基础设施（调蓄池，0.46欧元/立方米）的四分之一，展现出显著的经济优势。

该研究通过长期实证证实，曝气人工湿地是一种高效、稳定且经济的CSO处理技术，尤其适用于污水处理厂上游的高负荷场景。研究提出的自适应曝气策略突破了传统湿地的能耗瓶颈，为未来大型湿地系统的智能化、低碳化运行提供了重要范式。此外，研究首次全面揭示了湿地对新兴污染物（如微塑料、药品）的去除潜力与局限，为湿地技术的优化升级指明了方向。随着城市水环境治理迈向资源化、智慧化，梅罗湿地的成功实践无疑为全球可持续排水系统的发展注入了强劲动力。