瑞士十年研究：污水处理与排放河流中生物膜微污染物耐受性的关系
城市污水处理厂最初设计是用来去除COD，后来才逐步增加了对氮磷等营养物的去除要求。在过去十多年，人们在污水厂里发现了不少以μg/L或pg/L计算的低浓度污染物。这些污染物受到越来越多的关注，人们一般称之为微污染物(micropollutants)。
图. 微污染物的来源复杂 | 图源：STOWA
瑞士是世界上第一个实行新兴污染物点源控制的国家。早在2014年，瑞士国会就批准对新的水保护法案进行修订（Swiss Water Protection Act），对污水厂出水中微污染物的排放浓度设定限值，并要求部分污水厂进行改造，增加深度处理工艺，以12种指示污染物的去除率作为评判标准，且去除率不低于80%。他们的目标是在2040年前，对全瑞士约650座污水厂中的100座进行升级改造。
图. 瑞士首座臭氧深度处理污水厂Neugut | 图源：UNECE
瑞士的新水法是从2016年1月起生效的，这也为当前的微污染物去除技术提供了独一无二的评测机会。在2013-2015年期间，瑞士EAWAG就成立了一个名为EcoImpact的项目，考察微污染物流出污水厂后会如何影响下游的河流生态。2019年这个项目还进入到2.0的阶段。在本期IWA微信公众号将将对此项目进行简介。
EcoImpact 1.0
在EcoImpact1.0阶段，课题组设计了互补对比的试验思路：一方面对污水厂处理厂的出水口进行现场采样调查，另一方面建造一个人工的水槽系统，模拟不同条件下河流生物膜的生长情况。
图. 真实和模拟环境的对比测试 | 图源：EAWAG
实地调查部分他们采用了已有的方法标准去评估排放点上下游的水质参数、生物多样性和功能特性。考察地点覆盖瑞士高原(Swiss Plateau)和侏罗山脉(Jura Mountains)地区的24条河流，目标是检查处理出水的生物影响，特别微污染物的生物影响，并为升级后的污水厂引起的后续变化建立评估基准。
他们在选择考察污水厂时，设定了以下标准：
只考虑河流作为接收水体，不含湖泊；
选择的污水厂上游没有污水排放；
旱季的污水出水排放量占河道总流量的20%以上；
流域可沉降的面积＜21%；
葡萄园和/或果园的面积覆盖率低于 10%
图. 考察点分布及采样现场照片 | 图源：EAWAG
另一方面，为了区分不同因素对水生生态系统的影响，课题组设计了一个模拟河流的水槽系统，一共设有16个通道，并为其取名Maiandros（源自希腊语 Μαίανδρος，也是现代土耳其语的 Maeander ，即河神）。
这套系统放置在瑞士的Fällanden 污水处理厂，不同的生物体可以接触到四种不同受控的水质，包括纯河水、纯污水厂出水、以不同比例混合的河水+污水厂出水混合物、河水+人工配比的微污染物。
一期的项目结果显示，科学家们已经证明污水厂出水含有微污染物，而且微污染物在不同的生物组织水平(从细胞层面到群落层面)对水生生物产生了影响，在大型无脊椎动物中也可以看到这种影响。那些对农药敏感的物种在出水口下游地点减少，也反过来暗示处理出水存在这些有毒物质。与平均水流相比，排放的污水越多，这种影响就越大。有趣的是，这种影响与污水处理厂上游河流的原始组成无关。树叶分解等生态系统功能也受到污水排放的影响，也有可能是受到了微污染物的影响。人工系统能帮助课题组进一步了解水质组成的影响，例如他们用棉条采样的降解分析显示，营养物会掩盖微污染物对功能终端点的毒性作用。
图. 不同槽道的污水配比分布情况 | 图源：Water Research
图. 不同污水配比下微污染物的组分比较：绿色-人造增甜剂；黄色-防腐剂；红色-农药；蓝色-药物图源：Water Research
总的来说，污水处理厂下游的河流生物膜(专业术语称为periphyton)，与上游的periphyton相比，有更高的微污染物耐受能力。但污水厂完成升级之后，这种污染诱导群落耐受性(Pollution Induced Community Tolerance，简称PICT)随即消失。EAWAG的EcoImpact1.0这些发现表明，PICT和河流生物膜可以用来评估污水厂排放的微污染物的生物影响，以及接收水体对微污染物的去除效果。
图. Periphyton示意图 | 图源：ResearchGate
EcoImpact 2.0
2019年，EcoImpact开启2.0阶段。这二期项目里，课题组将研究如何用PICT作为指标，对污水处理技术的生物效应进行比较评估，确定能否在实际工作中将PICT用作水质评估工具。再具体点说，他们将尝试回答以下四大问题：
Q1. 在只输入污水出水的水槽线中，能否在水生生物膜上观察到PICT？
Q2. 污水厂出水口下游的河流生物膜观察到的PICT，是由于微污染物暴露导致的呢，或者是出自污水厂的一些已经有耐受性的微生物产生的呢？还是两者兼有？
Q3. 不同的深度处理技术(及组合)如何影响河流生物膜对微污染物的耐受性？
Q4. PICT 在升级后的污水厂的生物效应监测评估中，PICT可以有什么潜在作用？
在二期项目里，新一代的Maiandros系统建于EAWAG的一座实验大楼。槽道数目将增至20条，分为4组，每组5条道，分别对应以下水质成分：
污水厂出水将分别经过颗粒活性炭、膜过滤和紫外光处理后，他们将对这些不同的深度处理工艺对河道生物膜的影响进行比较分析。此外，他们也会对升级中污水厂进行实地采样分析。
图. 槽道里形成的生物膜 | 图源：EAWAG
图. 生物膜分析结果 | 图源：EAWAG
微污染物如何处理？
对于城市污水的微污染物，业界专家都认为不能坐以待毙。瑞士和德国是这方面的探路先锋，荷兰STOWA水研究基金会曾在2015年发布了一份报告，对德国和瑞士两国当时的深度处理案例进行成本分析。这份报告显示在2015年前德国瑞士已有多家水厂配有针对微污染物的深度处理。
而荷兰水委会联盟的决策顾问Michaël Bentvelsen则认为不需要盲从德国或者瑞士的经验。他表示这些技术需要更多调研数据的考证，实施运行是很快的事，但因为投资巨大，因此必须一步到位。他早在2018年接受媒体采访时就说：“我们的终极目标都是提供更好的水质，实现这个目标有很多方法。”
荷兰水委会之所以那么谨慎，也是由于现有工艺对特定物质的去除效率有限，对雌激素的去除效果就不太理想，而且也不是所有深度处理项目的运行表现都尽如人意，毕竟每个项目会受到具体条件差异的影响（与生物脱氮除磷的结合）。这些技术在应用中还存在很多不确定性，例如有些污水厂已经意识到活性炭的回收处理也是个尚待解决的问题。
如果您对污水出水的微污染物对河流生态影响感兴趣，则可以关注国际水协会的学术期刊《Water Research》。
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参考资料
Eco Impact 1.0
https://www.eawag.ch/en/research/water-for-ecosystem/pollutants/ecoimpact/
Eco Impact 2.0
https://www.eawag.ch/en/research/water-for-ecosystem/pollutants/ecoimpact/ecoimpact-20/
https://www.eawag.ch/repository/ecoimpact/lecture_en/
https://www.youtube.com/watch?v=_u5sSq9wLLI&ab_channel=Eawag-aquaticresearch
Eco Impact 2.0 模拟试验
https://www.youtube.com/watch?v=I8IWNVygn7I&ab_channel=Eawag-aquaticresearch
Impact of wastewater on the microbial diversity of periphyton and its tolerance to micropollutants in an engineered flow-through channel syste
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135421006849?via%3Dihub
STOWA 微污染物研讨会
https://www.youtube.com/playlist?list=PLKAZHri1nLrblP5PMU0bk_f8IiczwOjZt
Periphyton Biofilm
https://www.researchgate.net/figure/Microbial-interactions-in-periphyton_fig1_342384023
Ara Neugat
https://unece.org/fileadmin/DAM/env/documents/2017/WAT/05May_04-05_Protocol_SDG_and_9th_TFTSR/presentations/11.Switzerland_Wunderlin.pdf
