功能化填料与植被协同增效：强化生态石笼对雨水中复合污染物的深度净化机理与性能研究

《Toxics》：Simultaneous Removal of Organic Pollutants and Pathogens from Stormwater by an Enhanced Ecological Gabion Shuhui Gao, Pingping Li, Zizheng Zhao, Luobin Zhang, Kui Huang and Xiaojun Chai

这篇综述重点探讨了强化生态石笼（EG）系统。通过将分层功能填料（陶瓷粒、麦饭石、生物炭）与植物（德国鸢尾）集成，该系统可协同提升对雨水径流中溶解性有机物（DOM）、颗粒性有机物（POM）和粪便指示菌（FIB）的同步去除效果，为解决河岸带非点源污染提供了紧凑、生态友好的高效技术方案。

　　

雨水径流是将有机污染物和病原体输入水生态系统的重要载体，带来了严峻的环境与公共健康风险。传统的石笼结构被广泛用于护岸，但其污染物去除效能有限。为了应对这一挑战，一项研究开发了一种强化生态石笼（EG）系统，通过集成功能性填料与植被，以协同强化对污染物的去除。

该系统与传统的砾石石笼（TG）进行了对比实验。结果显示，EG在化学需氧量（COD）、NH₄⁺–N和总氮（TN）的去除效率上表现突出，分别约为TG的2.48倍、3.68倍和3.56倍。在去除颗粒性有机碳（POC）和溶解性有机碳（DOC）方面，EG也同样表现优异，去除效率较TG分别提升了329%和137%。这证实了EG在去除常规有机污染物和氮素方面的强大能力。

该系统采用了分层设计的填料配置。第一层鹅卵石主要起结构支撑和分流作用；第二层（鹅卵石+陶瓷粒）增强了物理过滤；第三层（鹅卵石+麦饭石）旨在吸附溶解性有机物（DOM）；而第四层（生物炭+鹅卵石/麦饭石）则利用生物炭的高比表面积，对有机污染物和病原体进行深度去除。实验采用的植物是德国鸢尾，种植密度为45株/平方米，其根系能够增强污染物吸收并促进微生物生长。

在有机污染物的去除机理方面，荧光光谱和粒径分布分析揭示了EG系统的深层运作机制。平行因子（PARAFAC）分析在进水中识别出四种不同的溶解性有机物组分：C1（类酪氨酸/色氨酸蛋白）、C2（类富里酸）、C3（类腐殖酸）和C4（类微生物副产物）。EG出水中这些组分的荧光强度均显著降低，表明其能够有效转化和去除多样的DOM成分。对于颗粒性有机物，粒径分析表明，EG出水中的颗粒粒径中值（D₅₀）显著降低，表明其多孔填料基质（如生物炭、麦饭石）不仅通过物理截留捕获大颗粒，还能促进颗粒聚集和生物絮凝，从而高效去除颗粒性有机碳（POC）。

在病原微生物控制方面，EG系统展现出了显著优势。与传统石笼（TG）对总大肠菌群、粪大肠菌群、大肠杆菌和肠球菌等指标表现出有限的去除效果甚至出现净增加不同，EG系统对这些粪便指示菌（FIB）实现了稳定去除，平均去除效率分别达到26%、25%、45%和31%。生物炭因其丰富的含氧官能团和表面电荷，通过静电作用、疏水效应和配位键有效吸附带相反电荷的病原微生物，成为病原体去除的关键介质。

对各层填料表面污染物累积的分析，进一步阐明了其协同净化机制。研究发现，生物炭表现出最高的表面电导率，对NO₃^?–N和总磷（TP）的吸附能力最强。陶瓷粒则对NH₄⁺–N有较高的表面富集。在有机碳吸附方面，陶瓷粒表面的溶解性有机碳和颗粒性有机碳浓度最高，这与其作为首层过滤介质接触最高污染负荷的角色相符。而生物炭则因其发达的微孔结构，对溶解性有机物表现出更强的相对亲和力。在病原体吸附方面，生物炭同样表现最优，其表面吸附的各类指示菌数量显著高于陶瓷粒和麦饭石。

相关分析揭示了两种系统去除病原体的不同主导机制。在传统石笼中，病原体的去除与活性DOM（如C1、C4）的去除显著相关，更多依赖于微生物竞争或代谢抑制。而在强化生态石笼中，病原体去除则与总磷、类富里酸/腐殖酸有机物、总氮和化学需氧量的去除率显著相关，表明其更受整体营养水平和腐殖化有机物结构变化的影响。

综上所述，该强化生态石笼系统作为一个集成的处理链条，通过陶瓷粒的粗过滤、麦饭石的次级吸附和生物炭的深度净化，实现了污染物的梯级去除与功能协同。与依赖单一介质的传统砾石石笼相比，其表现出对有机物、营养盐和病原体更全面、高效的去除性能。尽管在长期运行中可能面临堵塞风险，且对低浓度病原体和硝酸盐氮的去除能力有待进一步提升，但该研究证明，强化生态石笼是一种适用于河岸带的紧凑、模块化且可持续的生态技术，为改善雨水水质提供了可行的替代方案。未来研究应聚焦于评估其长期性能、进行实地验证，并优化填料组合以应对不同的水力条件。