《Water Research》：Filter substrate comparison and biodegradable flocculant dosing for a compact constructed wetland treating combined sewer overflow
编辑推荐：
本研究通过实验探究紧凑型CSO-CW系统在双倍流量下的处理效能，采用不同滤料（如活性炭、沸石）和生物聚合物（如壳聚糖），发现合理配比可有效弥补水力负荷增加导致的处理差异，尤其在颗粒物和COD去除方面，为空间受限城市提供高效污水处理方案。
朱莉娅·斯托拉斯（Julia Storath）|马克西米利安·P·博恩（Maximilian P. Born）|弗兰克·本斯特姆（Frank Benstoem）|托马斯·温滕斯（Thomas Wintgens）
亚琛工业大学（RWTH Aachen University）环境工程研究所，Mies-van-der-Rohe-Stra?e 1，52074，亚琛，德国
摘要
合流制污水溢流（CSO）是城市水污染的重要来源，其中来自污水系统的沉积物会向接收水体中输送大量的有机物、营养物质和颗粒污染物。在德国，用于处理CSO的 constructed wetlands（CSO-CWs）已经得到了广泛应用，但由于其较大的表面积，限制了其在城市地区的应用。本研究探讨了在双倍流量下运行、采用定制过滤介质并添加生物聚合物的紧凑型CSO-CWs的潜力，以提高处理效果。首先进行了一系列絮凝实验，以确定适合CSO处理的生物聚合物。随后进行了小规模的中试柱试验，评估了不同过滤介质（包括沙子、砂砾、砾石、贝壳、活性炭和沸石）的效果，同时考察了是否添加选定的生物聚合物对处理性能的影响。结果表明，使用合适介质和增加流量的紧凑型CSO-CWs能够达到与标准运行条件下的参考CSO-CWs相当的处理效率，仅有轻微的差异。吸附性和细颗粒介质（活性炭、沸石）在去除颗粒物、COD、DOC和NH4-N方面表现出优异性能。生物聚合物的添加显著提高了粗颗粒介质（砾石、贝壳）的颗粒物和COD去除效果，从而缩小了不同配置之间的处理效果差异。然而，无论是否添加生物聚合物，磷的去除效果仍然有限。这些发现表明，紧凑型CSO-CWs可以在水力负荷增加的情况下为CSO和城市径流提供有效的处理方案，尤其是在人口密集的地区。
引言
尽管在实施《城市污水处理指令》和《水框架指令》后，地表水处理技术取得了重大进展，但城市污染仍然是欧盟范围内地表水质量问题的重要因素。大约60%的欧洲地表水仍被评定为生物和化学状态不佳。其中一个主要原因是城市径流中含有来自合流制和分流制污水系统的污染物（Cojoc等人，2024年；EEA，2018年）。合流制污水溢流（CSO）和雨水排放会携带复杂的颗粒物、颗粒物结合物或溶解污染物混合物，包括营养物质、有机物、重金属以及多种有机微污染物，如药物、个人护理产品、杀虫剂和多环芳烃（Becouze-Lareure等人，2019年；Gasperi等人，2012年；Montes-Grajales等人，2017年；Müller等人，2020年；Mutzner等人，2022年；Zgheib等人，2012年）。
由于气候变化导致暴雨事件频率增加，这些复杂的污染物组合凸显了需要先进处理策略来有效减轻其对水生环境的影响，尤其是在人口密集地区（Wu等人，2024年）。在德国，30年来，滞留土壤过滤器（RSFs）作为一种有效工具，通过滞留、缓冲和自然处理作用，在CSO或雨水进入接收水体之前改善水质（Uhl和Dittmer，2005年）。在国际上，RSFs可以被归类为专门用于CSO和雨水处理的垂直流 constructed wetlands（CWs）（Meyer等人，2013年；Rizzo等人，2020年；Tondera，2019年）。在本研究中，“CSO-CW”一词将用于指代这种类型的设施。
多项研究一致表明，CSO-CWs在管理CSO和雨水处理方面具有高效性，能够有效去除营养物质、耗氧物质、总悬浮固体、重金属、病原体和某些微污染物（Christoffels和Mertens，2014年；Cross等人，2021年；Frechen，2013年；Grotehusmann等人，2015年；Pálfy等人，2017年；Ruppelt等人，2020a年；Tondera等人，2013a年；Tondera等人，2019年）。CSO-CWs的处理效果受其具体设计和运行参数的影响，如过滤介质组成、生物膜形成、停留时间以及生物活性次级表面的发展（Dittmer，2006年；Dittmer等人，2016年；Frechen，2010年；Tondera，2019年），同时还受集水区特征、污染物负荷和暴雨事件动态的影响（Rizzo等人，2020年）。在德国的RSF应用中，CSO-CWs通常间歇性运行，并设计为在每次负荷事件后完全排空，以便在干燥期间在过滤介质中建立好氧条件并促进硝化过程（Dittmer等人，2016年；Tondera，2019年）。图1展示了CSO-CWs的典型结构和特征。
水力操作是一个基本的设计参数，它影响处理效果和空间需求。排放率受到CSO-CW表面积的限制。在分流制污水系统中，CSO-CW可以以更高的最大流量（0.01-0.05 L s-1 m-2）运行，而在合流制污水系统中则较低（0.01-0.03 L s-1 m-2），因为后者的污染物负荷通常较低（Grotehusmann等人，2015年）。因此，增加与面积相关的水力负荷是减少所需CSO-CW表面积的主要方法。然而，这种方法同时缩短了停留时间，并对现有的去除机制提出了挑战。
尽管CSO-CWs在去除高浓度污染物方面表现出有效性且维护要求低，但其广泛的应用受到空间需求的限制。设计指南通常建议CSO-CW的表面积约为连接不透水集水区面积的1%（DWA，2019年；Grotehusmann等人，2015年），这限制了其在空间受限的城市环境中的应用。
为了解决这一限制，StopUP研究项目致力于开发更紧凑型的CSO-CW，通过增加与面积相关的水力负荷来减少所需表面积，同时保持处理效果。然而，水力负荷的增加会缩短过滤介质中的停留时间，从而降低处理效果。一种有前景的策略是将可生物降解的絮凝剂（生物聚合物）引入CSO-CW的进水系统中，以增强细小悬浮颗粒聚集成较大絮体的能力（Bratby，2016年；Nystr?m等人，2020年）。在CSO的背景下，细小颗粒特别值得关注，因为它们具有较高的比表面积和强化的污染物结合能力，尤其是重金属和有机污染物，这些污染物对水生生态系统构成高风险（Baum等人，2021年；Chen等人，2022年）。
迄今为止，只有少数研究探讨了絮凝法在处理城市径流中的应用。Nystr?m等人（2019年）证明，与沉淀法相比，絮凝法显著提高了道路径流中浊度、总悬浮固体（TSS）和重金属的去除效果。在后续研究中，使用壳聚糖基生物聚合物后，有机参数（如总有机碳（TOC）和多环芳烃）的去除率降低了多达90%（Nystr?m等人，2020年）。El Samrani等人（2008年）指出絮凝法适用于CSO处理，但也强调了处理效果对絮凝剂用量和进水变化的强烈依赖性（El Samrani等人，2008年）。
相比之下，将生物聚合物整合到CWs中的研究较少。据作者所知，只有一项研究探讨了生物聚合物与CWs的结合，该研究针对的是小规模蜡染工业的废水，而非CSO（Rahmadyanti和Febriyanti，2020年）。目前缺乏针对德国RSFs间歇性负荷和排水条件下的紧凑型CSO-CWs的絮凝强化策略的系统评估。
基于这些背景，本研究提出了一种紧凑型CSO-CW概念，结合了两种互补的处理强化方法：首先，研究具有不同于沙子的替代过滤介质，以实现有效的CSO处理；其次，通过向CSO-CW进水系统中添加生物聚合物来提高处理效果，以应对增加的水力负荷。通过在小规模中试柱中以双倍水力负荷运行，研究评估了停留时间的减少和不同介质特性对CSO-CW处理效果的影响，以及是否可以通过生物聚合物的添加来弥补潜在的性能损失。本研究旨在为空间受限的城市环境中CSO处理提供高效且可靠的基于自然的解决方案。
材料与方法
所有实验均在位于德国亚琛-Soers污水处理厂（WWTP）的ISA μ3研究中心进行。为了消除天气影响，絮凝实验和小规模中试柱试验均使用了类似CSO的实验废水。用于絮凝实验的实验CSO是通过调整初级澄清池的废水制备的，使其浊度达到典型的CSO范围（30-70 NTU）（Storath等人，
预筛选实验
预筛选实验表明，基于壳聚糖的生物聚合物具有优异的浊度降低能力，Heppix WS、Heppix T和Heppix OT的浊度降低率分别约为87.7%、86.4%和85.3%。在淀粉基产品中，PolySepar SK72的表现最好，浊度降低率为约64.9%。其他淀粉基产品则没有显著降低浊度效果。然而，对照样品的浊度
结论
本研究证明，过滤面积减半的紧凑型CSO-CW系统能够达到与传统CSO-CWs相当的处理效果。当过滤介质的选择针对目标参数进行优化时，双倍水力负荷下的紧凑型CSO-CW配置的处理效果与传统CSO-CWs仅存在轻微差异，而生物聚合物的添加可以有效弥补粗颗粒介质带来的去除限制。
吸附性和
作者贡献：CRediT
| 朱莉娅·斯托拉斯（Julia Storath）： | 撰写 - 原稿撰写、概念构思、研究设计、数据管理、可视化 |
|---|
| 马克西米利安·P·博恩（Maximilian Peter Born）： | 监督、审稿与编辑、项目管理 |
|---|
| 弗兰克·本斯特姆（Frank Benstoem）： | 概念构思、研究设计、撰写 - 审稿与编辑 |
|---|
| 托马斯·温滕斯（Thomas Wintgens）： | 监督、撰写 - 审稿与编辑、项目管理 |
|---|
关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在撰写本文时，作者使用了ChatGPT / OpenAI来提升语言表达和可读性。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对出版物的内容负全责。
未引用的参考文献
Christoffels, 2008, DIN EN 1484 1997, DIN EN 872 2005, DIN EN ISO 17294-2 2016, DIN EN ISO 7027-1 2016, DIN ISO 15705 2002, DIN ISO 15923-1 2013, Brombach and Fuchs, 2003, Uhl, 2002
CRediT作者贡献声明
朱莉娅·斯托拉斯（Julia Storath）：撰写 - 原稿撰写、概念构思、研究设计、数据管理、可视化。
马克西米利安·P·博恩（Maximilian P. Born）：审稿与编辑、监督、项目管理。
弗兰克·本斯特姆（Frank Benstoem）：撰写 - 审稿与编辑、研究设计。
托马斯·温滕斯（Thomas Wintgens）：审稿与编辑、监督、项目管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本项目获得了欧盟“Horizon Europe”研究与创新计划的资助（授权协议编号101060428）。作者感谢前同事莱奥妮·瓦克尔（Leonie Wacker，曾任职于亚琛工业大学ISA）提供的宝贵支持，她主要负责絮凝实验的工作。我们还要感谢莱奥妮·博尔赫斯（Leonie Borges）和凯夫塞尔·古尔布兹（Kevser Gürbüz）作为学生研究助理的帮助，他们对实验工作做出了贡献。
