污水處理與排放河流中生物膜微污染物耐受性的關(guān)系：瑞士的十年研究
城市污水處理廠最初設(shè)計是用來去除COD，后來才逐步增加了對氮磷等營養(yǎng)物的去除要求。在過去十多年，人們在污水廠里發(fā)現(xiàn)了不少以μg/L或pg/L計算的低濃度污染物。這些污染物受到越來越多的關(guān)注，人們一般稱之為微污染物(micropollutants)。
圖.微污染物的來源復(fù)雜|圖源：STOWA
瑞士是世界上第一個實行新興污染物點源控制的國家。早在2014年，瑞士國會就批準(zhǔn)對新的水保護法案進(jìn)行修訂（SwissWaterProtectionAct），對污水廠出水中微污染物的排放濃度設(shè)定限值，并要求部分污水廠進(jìn)行改造，增加深度處理工藝，以12種指示污染物的去除率作為評判標(biāo)準(zhǔn)，且去除率不低于80%。他們的目標(biāo)是在2040年前，對全瑞士約650座污水廠中的100座進(jìn)行升級改造。
圖.瑞士首座臭氧深度處理污水廠Neugut|圖源：UNECE
瑞士的新水法是從2016年1月起生效的，這也為當(dāng)前的微污染物去除技術(shù)提供了獨一無二的評測機會。在2013-2015年期間，瑞士EAWAG就成立了一個名為EcoImpact的項目，考察微污染物流出污水廠后會如何影響下游的河流生態(tài)。2019年這個項目還進(jìn)入到2.0的階段。在本期IWA微信公眾號將將對此項目進(jìn)行簡介。
EcoImpact1.0
在EcoImpact1.0階段，課題組設(shè)計了互補對比的試驗思路：一方面對污水廠處理廠的出水口進(jìn)行現(xiàn)場采樣調(diào)查，另一方面建造一個人工的水槽系統(tǒng)，模擬不同條件下河流生物膜的生長情況。
圖.真實和模擬環(huán)境的對比測試|圖源：EAWAG
實地調(diào)查部分他們采用了已有的方法標(biāo)準(zhǔn)去評估排放點上下游的水質(zhì)參數(shù)、生物多樣性和功能特性。考察地點覆蓋瑞士高原(SwissPlateau)和侏羅山脈(JuraMountains)地區(qū)的24條河流，目標(biāo)是檢查處理出水的生物影響，特別微污染物的生物影響，并為升級后的污水廠引起的后續(xù)變化建立評估基準(zhǔn)。
他們在選擇考察污水廠時，設(shè)定了以下標(biāo)準(zhǔn)：
只考慮河流作為接收水體，不含湖泊；
選擇的污水廠上游沒有污水排放；
旱季的污水出水排放量占河道總流量的20%以上；
流域可沉降的面積＜21%；
葡萄園和/或果園的面積覆蓋率低于10%
圖.考察點分布及采樣現(xiàn)場照片|圖源：EAWAG
另一方面，為了區(qū)分不同因素對水生生態(tài)系統(tǒng)的影響，課題組設(shè)計了一個模擬河流的水槽系統(tǒng)，一共設(shè)有16個通道，并為其取名Maiandros（源自希臘語Μα?ανδρο?，也是現(xiàn)代土耳其語的Maeander，即河神）。
這套系統(tǒng)放置在瑞士的F?llanden污水處理廠，不同的生物體可以接觸到四種不同受控的水質(zhì)，包括純河水、純污水廠出水、以不同比例混合的河水+污水廠出水混合物、河水+人工配比的微污染物。
一期的項目結(jié)果顯示，科學(xué)家們已經(jīng)證明污水廠出水含有微污染物，而且微污染物在不同的生物組織水平(從細(xì)胞層面到群落層面)對水生生物產(chǎn)生了影響，在大型無脊椎動物中也可以看到這種影響。那些對農(nóng)藥敏感的物種在出水口下游地點減少，也反過來暗示處理出水存在這些有毒物質(zhì)。與平均水流相比，排放的污水越多，這種影響就越大。有趣的是，這種影響與污水處理廠上游河流的原始組成無關(guān)。樹葉分解等生態(tài)系統(tǒng)功能也受到污水排放的影響，也有可能是受到了微污染物的影響。人工系統(tǒng)能幫助課題組進(jìn)一步了解水質(zhì)組成的影響，例如他們用棉條采樣的降解分析顯示，營養(yǎng)物會掩蓋微污染物對功能終端點的毒性作用。
圖.不同槽道的污水配比分布情況|圖源：WaterResearch
圖.不同污水配比下微污染物的組分比較：綠色-人造增甜劑；
黃色-防腐劑；紅色-農(nóng)藥；藍(lán)色-藥物圖源：WaterResearch
總的來說，污水處理廠下游的河流生物膜(專業(yè)術(shù)語稱為periphyton)，與上游的periphyton相比，有更高的微污染物耐受能力。但污水廠完成升級之后，這種污染誘導(dǎo)群落耐受性(PollutionInducedCommunityTolerance，簡稱PICT)隨即消失。EAWAG的EcoImpact1.0這些發(fā)現(xiàn)表明，PICT和河流生物膜可以用來評估污水廠排放的微污染物的生物影響，以及接收水體對微污染物的去除效果。
圖.Periphyton示意圖|圖源：ResearchGate
EcoImpact2.0
2019年，EcoImpact開啟2.0階段。這二期項目里，課題組將研究如何用PICT作為指標(biāo)，對污水處理技術(shù)的生物效應(yīng)進(jìn)行比較評估，確定能否在實際工作中將PICT用作水質(zhì)評估工具。再具體點說，他們將嘗試回答以下四大問題：
Q1.在只輸入污水出水的水槽線中，能否在水生生物膜上觀察到PICT？
Q2.污水廠出水口下游的河流生物膜觀察到的PICT，是由于微污染物暴露導(dǎo)致的呢，或者是出自污水廠的一些已經(jīng)有耐受性的微生物產(chǎn)生的呢？還是兩者兼有？
Q3.不同的深度處理技術(shù)(及組合)如何影響河流生物膜對微污染物的耐受性？
Q4.PICT在升級后的污水廠的生物效應(yīng)監(jiān)測評估中，PICT可以有什么潛在作用？
在二期項目里，新一代的Maiandros系統(tǒng)建于EAWAG的一座實驗大樓。槽道數(shù)目將增至20條，分為4組，每組5條道，分別對應(yīng)以下水質(zhì)成分：
污水廠出水將分別經(jīng)過顆?；钚蕴?、膜過濾和紫外光處理后，他們將對這些不同的深度處理工藝對河道生物膜的影響進(jìn)行比較分析。此外，他們也會對升級中污水廠進(jìn)行實地采樣分析。
圖.槽道里形成的生物膜|圖源：EAWAG
圖.生物膜分析結(jié)果|圖源：EAWAG
微污染物如何處理？
對于城市污水的微污染物，業(yè)界專家都認(rèn)為不能坐以待斃。瑞士和德國是這方面的探路先鋒，荷蘭STOWA水研究基金會曾在2015年發(fā)布了一份報告，對德國和瑞士兩國當(dāng)時的深度處理案例進(jìn)行成本分析。這份報告顯示在2015年前德國瑞士已有多家水廠配有針對微污染物的深度處理。
而荷蘭水委會聯(lián)盟的決策顧問Micha?l Bentvelsen則認(rèn)為不需要盲從德國或者瑞士的經(jīng)驗。他表示這些技術(shù)需要更多調(diào)研數(shù)據(jù)的考證，實施運行是很快的事，但因為投資巨大，因此必須一步到位。他早在2018年接受媒體采訪時就說：“我們的終極目標(biāo)都是提供更好的水質(zhì)，實現(xiàn)這個目標(biāo)有很多方法。”
荷蘭水委會之所以那么謹(jǐn)慎，也是由于現(xiàn)有工藝對特定物質(zhì)的去除效率有限，對雌激素的去除效果就不太理想，而且也不是所有深度處理項目的運行表現(xiàn)都盡如人意，畢竟每個項目會受到具體條件差異的影響（與生物脫氮除磷的結(jié)合）。這些技術(shù)在應(yīng)用中還存在很多不確定性，例如有些污水廠已經(jīng)意識到活性炭的回收處理也是個尚待解決的問題。