美國(guó)水污染生物過(guò)濾研究及實(shí)例

張德順 孫力 托馬斯?雷蒙德?戈茨 陳瑩瑩

收稿日期：2019-08-15

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金“城市綠地干旱生境的園林樹(shù)種選擇機(jī)制研究”（31770747）;“華東濱海地區(qū)抗風(fēng)園林樹(shù)種的

選擇機(jī)制研究：以上海為例”（32071824）;同濟(jì)大學(xué)第一批優(yōu)質(zhì)在線(xiàn)開(kāi)放課程項(xiàng)目

第一作者：張德順（1964- ），男，博士，教授、博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)轱L(fēng)景園林。E-mail：zds@#edu.cn

摘要：確保所有人獲得健康的飲用水在當(dāng)前任重而道遠(yuǎn)，單純依靠常規(guī)處理方法無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)今全部的需求，而科學(xué)的“生物過(guò)濾”系統(tǒng)在未來(lái)或許可以有效替代傳統(tǒng)的人工水凈化體系。文章通過(guò)植物過(guò)濾飲用水中污染物砷的成功案例和密歇根州基于生物過(guò)濾體系成功實(shí)施的胭脂河流域凈化項(xiàng)目介紹美國(guó)的“生物過(guò)濾”方法，希望為我國(guó)生物過(guò)濾系統(tǒng)的研究提供參考、開(kāi)拓思路。

關(guān)鍵詞：生物過(guò)濾，植物，水體凈化，飲用水法規(guī)，污染物，美國(guó)

DOI： 10.12169/zgcsly.2019.08.15.0002

Research and Examples of Biofiltrationof Water Pollution in the USA

Zhang Deshun1 Sun Li2 Thomas Raymond Goetz1，3 Chen Yingying4

（1.College of Architecture & Urban Planning， Tongji University， shanghai， 200092;

2.College of Ecological Technology& Engineering， Shanghai Institute of Technology， Shanghai， 201400;

3.Iowa State University， Iowa， the USA， 50011; 4.Southwest Jiaotong University， Chengdu，610031）

Abstract：There is still a long way to go to ensure that everyone has access to healthy drinking water. Conventional water purification methods alone cannot meet all of todays needs， and scientific “Biofiltration” systems may effectively replace traditional artificial water purification systems in the future. Through a successful case of plant filtering Arsenic in drinking water， the article introduces the “Biofiltration” method in the United States， and further combines the Rouge River Project based on the successful implementation of the biofiltration system in Michigan. Hope to provide references and open up ideas for the research of Biofiltration system in China.

Keywords： biofiltration， plant， Water purification，Drinking Water Regulations ， contaminant， the USA

保證人人獲得健康的飲用水仍是當(dāng)今世界的一大難題。根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）統(tǒng)計(jì)，全世界約有7.85億人口仍然缺乏安全飲用水的基本服務(wù)。隨著全球水質(zhì)問(wèn)題的持續(xù)惡化，迫切需要一種可行有效的解決方案，近年來(lái)，美國(guó)開(kāi)始將不同植物運(yùn)用到水處理系統(tǒng)中吸收水中的硝酸鹽、氯和其他有害化學(xué)物質(zhì)，這種結(jié)合自然過(guò)程處理水中化學(xué)物質(zhì)的生態(tài)學(xué)方法被稱(chēng)為“生物過(guò)濾”（Biofiltration）。生物過(guò)濾是飲用水輸配之前管理、維護(hù)及去除有機(jī)和無(wú)機(jī)物的過(guò)程，包括對(duì)水中溶解性有機(jī)質(zhì)的去除、微量污染物的削減、嗅味化合物的控制等。

美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（United States Environmental Protection Agency，EPA）將廣義水污染定義為“水中任何物理的、化學(xué)的、生物的或有輻射的物質(zhì)”，還提出“水分子以外的任何物質(zhì)都是污染物”[1]。污染候選清單（Contaminate Candidate List， CCL）中特別列出了會(huì)造成人類(lèi)健康風(fēng)險(xiǎn)的污染物[1]。目前的研究也表明，植物對(duì)污染物有吸收凈化的作用，許多潛在的植物物種可以用于調(diào)控水體的凈化過(guò)程。

根據(jù)美國(guó)《飲用水安全法案（Safe Drinking Water Act， SDWA）》，潛在的水污染物需要根據(jù)政府流程進(jìn)行監(jiān)管[2]。鑒于CCL中污染指標(biāo)的廣泛性，需要將污染物的量降低到可飲用的閾值。在《SDWA》中對(duì)污染的評(píng)估有3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：1）污染物會(huì)對(duì)人類(lèi)健康產(chǎn)生不利影響;2）已知或者潛在的污染物出現(xiàn)在公共水系統(tǒng)中，其公共衛(wèi)生水平會(huì)令人擔(dān)憂(yōu);3）根據(jù)署長(zhǎng)的獨(dú)立判斷，減少污染物會(huì)降低公共供水系統(tǒng)服務(wù)對(duì)象的健康風(fēng)險(xiǎn)[2]。

如何判定污染物符合標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署將給出監(jiān)管決定。監(jiān)管決定是關(guān)于美國(guó)環(huán)境保護(hù)署是否啟動(dòng)針對(duì)特定污染物制定《國(guó)家初級(jí)飲用水法規(guī)》（National Primary Drinking Water Regulations， NPDWR）流程的正式?jīng)Q定[1-2]。美國(guó)政府在2003年5月發(fā)布了一項(xiàng)棘阿米巴原蟲(chóng)（ Acanthamoeba ）的監(jiān)管決定，棘阿米巴是一種常見(jiàn)于水中和土壤中的原生動(dòng)物，可引起角膜炎癥和免疫缺陷的慢性腦炎[3]。監(jiān)管決定在征詢(xún)不同學(xué)科專(zhuān)家意見(jiàn)的基礎(chǔ)上，使用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法評(píng)估不同人群接觸棘阿米巴的風(fēng)險(xiǎn)。使用CCL、《SDWA》和EPA方法的監(jiān)管決定結(jié)合以前的過(guò)程，羅列出公共飲用水系統(tǒng)所需過(guò)濾的6類(lèi)污染物清單，即微生物、消毒劑、消毒副產(chǎn)物、無(wú)機(jī)化學(xué)品、有機(jī)化學(xué)品和放射性核素[4]，涵蓋約95種污染物（常見(jiàn)的包括氯、銅、鉛、鈾等，不常見(jiàn)的包括?；酋；?、五氯苯酚、苯乙烯、西瑪津等）[5]。本文通過(guò)介紹一些水污染生物過(guò)濾的研究與實(shí)例，以期為植物凈化的相關(guān)研究提供參考與借鑒。

1 生物過(guò)濾和生物砂過(guò)濾

生物過(guò)濾是美國(guó)《國(guó)家初級(jí)飲用水法規(guī)》確定的過(guò)濾污染物的潛在解決方案[6]，也有研究認(rèn)為植物的木質(zhì)部可降解有機(jī)物（Biodegradable Organic Matter， BOM），不僅可以過(guò)濾大量細(xì)菌，還可過(guò)濾各種無(wú)機(jī)污染物，如硝酸鹽、溴酸鹽、高氯酸鹽、氯酸鹽和亞硒酸鹽，所有這些污染物都包含在美國(guó)《國(guó)家初級(jí)飲用水法規(guī)》中。但是生物過(guò)濾研究還處于起步階段，成功投入使用前還需做大量工作[6]。

生物砂過(guò)濾（Biosand Filtration， BSF）技術(shù)[7]目前雖然還存在許多弊端，但可用于以家庭為單位的住宅房屋，不需要污水處理廠(chǎng)中的大型過(guò)濾裝置。生物砂過(guò)濾系統(tǒng)是投入很少就可以有效過(guò)濾的小型水凈化系統(tǒng)[8]，系統(tǒng)利用沙子、碎石、重力和一些簡(jiǎn)單的工程凈化被生物物質(zhì)和一些化學(xué)物質(zhì)污染的水，促進(jìn)有益微生物的生長(zhǎng)并形成“生物膜”。正如可持續(xù)衛(wèi)生和水管理工具箱網(wǎng)站（Sustainable Sanitation and Water Management Toolbox）提及的“生物膜有助于消除由于生物膜中含有的無(wú)害微生物和水中有害生物因食物的捕食和競(jìng)爭(zhēng)而產(chǎn)生的病原體”[9]，從而得到清潔的飲用水。系統(tǒng)還可以使病原微生物被截留、吸附，或因缺乏營(yíng)養(yǎng)、氧氣而死亡。然而，生物砂過(guò)濾是微生物系統(tǒng)，而不是植物系統(tǒng)，因此進(jìn)一步研究植物在其自然生活狀態(tài)下能否過(guò)濾水、利用微生物起源和生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展等概念更高效地凈化水系統(tǒng)以減少對(duì)完全人工系統(tǒng)的依賴(lài)是當(dāng)務(wù)之急。

2 生物過(guò)濾與植物生態(tài)系統(tǒng)

在水過(guò)濾的過(guò)程中，長(zhǎng)周期、低成本運(yùn)營(yíng)是植物生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。開(kāi)發(fā)一個(gè)水的自循環(huán)維系體系，通過(guò)自然過(guò)程做功，可以極大地降低更換設(shè)備和維護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。

著名設(shè)計(jì)雜志Dezeen刊發(fā)了一篇標(biāo)題為《基于植物的凈化系統(tǒng)將改變世界》的文章，該文重點(diǎn)介紹一種水過(guò)濾并從中提取砷的植物系統(tǒng)[10]。這一點(diǎn)意義特別，因?yàn)樯槭敲绹?guó)《國(guó)家初級(jí)飲用水法規(guī)》中列出的污染物之一，也是發(fā)展中國(guó)家常見(jiàn)的污染物，甚至可以導(dǎo)致癌癥。據(jù)世界衛(wèi)生組織估計(jì)，每年大約有120萬(wàn)人死于砷中毒，因此該技術(shù)對(duì)全球都具有指導(dǎo)價(jià)值。在孟加拉國(guó)投入使用的這項(xiàng)基于植物的水體凈化系統(tǒng)將含砷水泵入植物，如歐洲鳳尾蕨（ Pteris cretica ）吸收的系統(tǒng)，系統(tǒng)吸收后達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)（假設(shè)污染物僅為砷）可立即飲用。該文章還提到“幾乎沒(méi)有運(yùn)行成本，也幾乎不需要維護(hù)系統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)”[10]，因此選取偏好砷且吸收率高的植物物種很重要，也為探索高吸收重金屬的植物選擇提供借鑒。

美國(guó)《國(guó)家初級(jí)飲用水法規(guī)》包含美國(guó)飲用水供應(yīng)中大約100種受管制污染物的清單，但關(guān)注的是最普遍的污染物，以及如何通過(guò)打造更加多樣化的過(guò)濾設(shè)施來(lái)改善生物徑流系統(tǒng)。水敏城市合作研究中心（Cooperative Research Centre for Water Sensitive Cities）的一項(xiàng)研究解釋了供水中最常見(jiàn)的污染物是氮、磷、重金屬和病原體，還列出了實(shí)施生態(tài)水過(guò)濾系統(tǒng)的2項(xiàng)功能目標(biāo)[11]，即至少50%有效滿(mǎn)足水處理目標(biāo)的植物種，以及在生物過(guò)濾區(qū)域盡量有這些物種的自然分布。

雖然功能目標(biāo)很簡(jiǎn)單，但向當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)引入新物種可能會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，這就需要因地制宜，確保生態(tài)安全和系統(tǒng)健康，因此鄉(xiāng)土植物的應(yīng)用就有一定的優(yōu)勢(shì)，如普雷薩苔草（ Carex appressa ）、圓齒苔草（ C. Tereticaulis ）、白千層（ Melaleuca incana ）、燈心草（ Juncus kraussii ）和灰燈芯草（ Juncus pallidus ）具有較高的氮吸收率[11]。只有對(duì)當(dāng)?shù)刂参锖蜕鷳B(tài)系統(tǒng)深入研究，才能設(shè)計(jì)出更適合的過(guò)濾性生態(tài)系統(tǒng)，美國(guó)的案例研究對(duì)于深入理解生物過(guò)濾與天然供水系統(tǒng)的關(guān)系具有引領(lǐng)性。

3 胭脂河的案例研究

3.1 項(xiàng)目背景

美國(guó)水資源管理政策的變遷主要分為五個(gè)階段，1980年至今為流域綜合管理階段，胭脂河案例就是這個(gè)階段的典型[12-13]。1992年發(fā)起的胭脂河雨天全國(guó)示范項(xiàng)目（Rouge River National Wet Weather Demonstration Project）在美國(guó)密歇根州胭脂河流域展開(kāi)實(shí)施，這是美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）認(rèn)定的最佳管理實(shí)踐項(xiàng)目（Best Management Practices）[14]。當(dāng)時(shí)的胭脂河接收底特律市區(qū)大部分地區(qū)的城市和工業(yè)廢水排放，加之由于暴雨排放處理不當(dāng)，河段水質(zhì)惡化且部分河段從未達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，甚至散發(fā)出明顯的臭味，致使河邊的居民逐漸放棄了捕魚(yú)業(yè)，因此，這片流域迫切需要水過(guò)濾系統(tǒng)和徑流管理控制有害污染物，清潔因排放而污染的河流及周邊土地。在胭脂河項(xiàng)目之前，“拯救”行動(dòng)幾乎完全集中在雨洪問(wèn)題上，許多方案都不利于河流的整體健康。因此，胭脂河項(xiàng)目面臨繼續(xù)解決合流和污水管溢流的問(wèn)題及嚴(yán)重的雨洪管理的挑戰(zhàn)，生境恢復(fù)的必要性變得尤為重要。陰雨天氣下的水污染控制對(duì)地方政府來(lái)說(shuō)也是一項(xiàng)代價(jià)高昂的挑戰(zhàn)，衛(wèi)生下水道設(shè)計(jì)僅用于將污水輸送至污水處理廠(chǎng)，類(lèi)似的雨水排放系統(tǒng)也不是用來(lái)輸送生活污水的，然而生活污水往往在降雨期間進(jìn)入雨水系統(tǒng)，因此當(dāng)?shù)卣诖_定污水收集系統(tǒng)和雨水排放系統(tǒng)方面要做很多工作。

3.2 項(xiàng)目措施

胭脂河項(xiàng)目包含數(shù)百萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)的運(yùn)籌計(jì)算（涵蓋化學(xué)、生物和物理）以分析該項(xiàng)目大規(guī)模投資的水質(zhì)效益[14]。在聯(lián)邦政府提供近3億美元的資金支持，并與州和地方的機(jī)構(gòu)、社區(qū)、居民、工廠(chǎng)付出大量精力的共同努力下，河流恢復(fù)了活力[14-15]。這項(xiàng)研究在持續(xù)15年后使該地區(qū)的整體水質(zhì)得到了實(shí)質(zhì)性的提升，也是生物多樣性引入系統(tǒng)的成功嘗試。

在胭脂河項(xiàng)目中采取以下措施：移除堆積的泥沙以減少下游的沉積負(fù)荷，清除一些含量較高的金屬和多氯苯酚污染的沉積物，配合密歇根鄉(xiāng)土植物打造濕地生態(tài)系統(tǒng)，種植水生植物構(gòu)成生物過(guò)濾體系，在流域附近高地規(guī)劃喬木、灌木、草本和地被多層次垂直群落結(jié)構(gòu)，讓植物成為湖泊在內(nèi)的河流流域生物過(guò)濾體系的主角，使當(dāng)?shù)氐牧饔颦h(huán)境煥然一新。此外，在開(kāi)闊水域和濕地建造魚(yú)類(lèi)棲息地使水質(zhì)得到改善的同時(shí)，也令湖泊皮劃艇等娛樂(lè)教育功能得到開(kāi)發(fā)。

3.3 項(xiàng)目效果

溶解氧（DO）是衡量水質(zhì)是否改善的最佳指標(biāo)之一。1994年，胭脂河流域溶解氧趨近于0，捕魚(yú)業(yè)停滯。在為期15年的項(xiàng)目過(guò)程中，平均每年溶解氧提高0.22 mg/L，目前胭脂河流域的所有數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的水質(zhì)均得到了大幅改善，溶解氧大多都在5 mg/L以上。整體大腸桿菌去除量很高，2009年全年已有80%以上的水樣大腸桿菌濃度低于300 cfu/100 mL，其中雨天水樣70%以上低于300 cfu/100 mL。河流細(xì)菌水平也達(dá)到了人體皮膚可以隨時(shí)觸碰的標(biāo)準(zhǔn)，捕魚(yú)業(yè)恢復(fù)生機(jī)。原先的胭脂河流域水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，湖泊中一些沉積物受到金屬和多氯聯(lián)苯的污染水平較高，水生植物過(guò)度生長(zhǎng)，魚(yú)類(lèi)無(wú)法在缺氧和毒性蓄積的環(huán)境下生長(zhǎng)，并對(duì)附近居民產(chǎn)生潛在的健康危害，這些問(wèn)題都在項(xiàng)目結(jié)束后得到改善。

胭脂河項(xiàng)目的子項(xiàng)目中，如密歇根州迪爾伯恩的金魚(yú)斷崖修復(fù)（the Kingfish Bluff restoration in Dearborn， Michigan）、南菲爾德的山毛櫸林和特洛伊的消防員公園（the Firefighters Park in Troy， Michigan），也都更新了以植物為基礎(chǔ)的綠色生態(tài)系統(tǒng)，包括修建雨水花園、鋪設(shè)植被屋頂、建設(shè)滲透性鋪裝人行道等形式[14]。

通過(guò)生物過(guò)濾和開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)，該地區(qū)捕魚(yú)產(chǎn)業(yè)煥然一新。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，該地區(qū)整個(gè)流域和胭脂河隨著植物種類(lèi)的增加，魚(yú)類(lèi)的多樣性也增加。該項(xiàng)目實(shí)施綠色基礎(chǔ)設(shè)施原則，運(yùn)用自然過(guò)程控制污染物，提高系統(tǒng)水質(zhì)，對(duì)人類(lèi)產(chǎn)生正面影響[14]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)拆除和更換現(xiàn)有的水壩、清除淤積的泥沙減少下游沉積負(fù)荷等方式，借力自然生態(tài)系統(tǒng)降低水處理系統(tǒng)的壓力，以較小的投入達(dá)到了人工污水調(diào)控系統(tǒng)的目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

世界衛(wèi)生組織的報(bào)告顯示，截至2017年，全世界仍有7.85億人口缺乏基本的飲用水服務(wù)，其中1.44億人仍在飲用未處理過(guò)的地表水[16]，亟需系統(tǒng)的解決方案，生物過(guò)濾迫在眉睫。本文介紹了美國(guó)實(shí)施水過(guò)濾機(jī)制的監(jiān)管程序、污染物過(guò)濾研究及相關(guān)案例，希望從中得到啟示為我國(guó)未來(lái)的生物過(guò)濾系統(tǒng)開(kāi)拓新的思路。我國(guó)探索自然生物過(guò)濾體系改善水質(zhì)的研究剛起步，期待在未來(lái)的研究中開(kāi)發(fā)不同植物系統(tǒng)提高生物多樣性，以應(yīng)對(duì)不同規(guī)模、尺度水質(zhì)的凈化需求。

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