美國水污染生物過濾研究及實例

張德順 孫力 托馬斯?雷蒙德?戈茨 陳瑩瑩

收稿日期：2019-08-15

*基金項目：國家自然科學基金“城市綠地干旱生境的園林樹種選擇機制研究”（31770747）;“華東濱海地區抗風園林樹種的

選擇機制研究：以上海為例”（32071824）;同濟大學第一批優質在線開放課程項目

第一作者：張德順（1964- ），男，博士，教授、博士生導師，研究方向為風景園林。E-mail：zds@tongji.edu.cn

摘要：確保所有人獲得健康的飲用水在當前任重而道遠，單純依靠常規處理方法無法滿足當今全部的需求，而科學的“生物過濾”系統在未來或許可以有效替代傳統的人工水凈化體系。文章通過植物過濾飲用水中污染物砷的成功案例和密歇根州基于生物過濾體系成功實施的胭脂河流域凈化項目介紹美國的“生物過濾”方法，希望為我國生物過濾系統的研究提供參考、開拓思路。

關鍵詞：生物過濾，植物，水體凈化，飲用水法規，污染物，美國

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今世界的一大難題。根據世界衛生組織（WHO）統計，全世界約有7.85億人口仍然缺乏安全飲用水的基本服務。隨著全球水質問題的持續惡化，迫切需要一種可行有效的解決方案，近年來，美國開始將不同植物運用到水處理系統中吸收水中的硝酸鹽、氯和其他有害化學物質，這種結合自然過程處理水中化學物質的生態學方法被稱為“生物過濾”（Biofiltration）。生物過濾是飲用水輸配之前管理、維護及去除有機和無機物的過程，包括對水中溶解性有機質的去除、微量污染物的削減、嗅味化合物的控制等。

美國環境保護署（United States Environmental Protection Agency，EPA）將廣義水污染定義為“水中任何物理的、化學的、生物的或有輻射的物質”，還提出“水分子以外的任何物質都是污染物”[1]。污染候選清單（Contaminate Candidate List， CCL）中特別列出了會造成人類健康風險的污染物[1]。目前的研究也表明，植物對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控水體的凈化過程。

根據美國《飲用水安全法案（Safe Drinking Water Act， SDWA）》，潛在的水污染物需要根據政府流程進行監管[2]。鑒于CCL中污染指標的廣泛性，需要將污染物的量降低到可飲用的閾值。在《SDWA》中對污染的評估有3個標準：1）污染物會對人類健康產生不利影響;2）已知或者潛在的污染物出現在公共水系統中，其公共衛生水平會令人擔憂;3）根據署長的獨立判斷，減少污染物會降低公共供水系統服務對象的健康風險[2]。

如何判定污染物符合標準，美國環境保護署將給出監管決定。監管決定是關于美國環境保護署是否啟動針對特定污染物制定《國家初級飲用水法規》（National Primary Drinking Water Regulations， NPDWR）流程的正式決定[1-2]。美國政府在2003年5月發布了一項棘阿米巴原蟲（ Acanthamoeba ）的監管決定，棘阿米巴是一種常見于水中和土壤中的原生動物，可引起角膜炎癥和免疫缺陷的慢性腦炎[3]。監管決定在征詢不同學科專家意見的基礎上，使用數據驅動的方法評估不同人群接觸棘阿米巴的風險。使用CCL、《SDWA》和EPA方法的監管決定結合以前的過程，羅列出公共飲用水系統所需過濾的6類污染物清單，即微生物、消毒劑、消毒副產物、無機化學品、有機化學品和放射性核素[4]，涵蓋約95種污染物（常見的包括氯、銅、鉛、鈾等，不常見的包括牛磺酰基、五氯苯酚、苯乙烯、西瑪津等）[5]。本文通過介紹一些水污染生物過濾的研究與實例，以期為植物凈化的相關研究提供參考與借鑒。

1 生物過濾和生物砂過濾

生物過濾是美國《國家初級飲用水法規》確定的過濾污染物的潛在解決方案[6]，也有研究認為植物的木質部可降解有機物（Biodegradable Organic Matter， BOM），不僅可以過濾大量細菌，還可過濾各種無機污染物，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《國家初級飲用水法規》中。但是生物過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]。

生物砂過濾（Biosand Filtration， BSF）技術[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，不需要污水處理廠中的大型過濾裝置。生物砂過濾系統是投入很少就可以有效過濾的小型水凈化系統[8]，系統利用沙子、碎石、重力和一些簡單的工程凈化被生物物質和一些化學物質污染的水，促進有益微生物的生長并形成“生物膜”。正如可持續衛生和水管理工具箱網站（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害微生物和水中有害生物因食物的捕食和競爭而產生的病原體”[9]，從而得到清潔的飲用水。系統還可以使病原微生物被截留、吸附，或因缺乏營養、氧氣而死亡。然而，生物砂過濾是微生物系統，而不是植物系統，因此進一步研究植物在其自然生活狀態下能否過濾水、利用微生物起源和生態系統發展等概念更高效地凈化水系統以減少對完全人工系統的依賴是當務之急。

2 生物過濾與植物生態系統

在水過濾的過程中，長周期、低成本運營是植物生態系統的優勢。開發一個水的自循環維系體系，通過自然過程做功，可以極大地降低更換設備和維護系統的運轉費用。

著名設計雜志Dezeen刊發了一篇標題為《基于植物的凈化系統將改變世界》的文章，該文重點介紹一種水過濾并從中提取砷的植物系統[10]。這一點意義特別，因為砷是美國《國家初級飲用水法規》中列出的污染物之一，也是發展中國家常見的污染物，甚至可以導致癌癥。據世界衛生組織估計，每年大約有120萬人死于砷中毒，因此該技術對全球都具有指導價值。在孟加拉國投入使用的這項基于植物的水體凈化系統將含砷水泵入植物，如歐洲鳳尾蕨（ Pteris cretica ）吸收的系統，系統吸收后達到飲用水標準（假設污染物僅為砷）可立即飲用。該文章還提到“幾乎沒有運行成本，也幾乎不需要維護系統的專業知識”[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《國家初級飲用水法規》包含美國飲用水供應中大約100種受管制污染物的清單，但關注的是最普遍的污染物，以及如何通過打造更加多樣化的過濾設施來改善生物徑流系統。水敏城市合作研究中心（Cooperative Research Centre for Water Sensitive Cities）的一項研究解釋了供水中最常見的污染物是氮、磷、重金屬和病原體，還列出了實施生態水過濾系統的2項功能目標[11]，即至少50%有效滿足水處理目標的植物種，以及在生物過濾區域盡量有這些物種的自然分布。

雖然功能目標很簡單，但向當地生態系統引入新物種可能會對環境產生負面影響，這就需要因地制宜，確保生態安全和系統健康，因此鄉土植物的應用就有一定的優勢，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]。只有對當地植物和生態系統深入研究，才能設計出更適合的過濾性生態系統，美國的案例研究對于深入理解生物過濾與天然供水系統的關系具有引領性。

3 胭脂河的案例研究

3.1 項目背景

美國水資源管理政策的變遷主要分為五個階段，1980年至今為流域綜合管理階段，胭脂河案例就是這個階段的典型[12-13]。1992年發起的胭脂河雨天全國示范項目（Rouge River National Wet Weather Demonstration Project）在美國密歇根州胭脂河流域展開實施，這是美國環境保護署（EPA）認定的最佳管理實踐項目（Best Management Practices）[14]。當時的胭脂河接收底特律市區大部分地區的城市和工業廢水排放，加之由于暴雨排放處理不當，河段水質惡化且部分河段從未達到水質標準，甚至散發出明顯的臭味，致使河邊的居民逐漸放棄了捕魚業，因此，這片流域迫切需要水過濾系統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。在胭脂河項目之前，“拯救”行動幾乎完全集中在雨洪問題上，許多方案都不利于河流的整體健康。因此，胭脂河項目面臨繼續解決合流和污水管溢流的問題及嚴重的雨洪管理的挑戰，生境恢復的必要性變得尤為重要。陰雨天氣下的水污染控制對地方政府來說也是一項代價高昂的挑戰，衛生下水道設計僅用于將污水輸送至污水處理廠，類似的雨水排放系統也不是用來輸送生活污水的，然而生活污水往往在降雨期間進入雨水系統，因此當地政府在確定污水收集系統和雨水排放系統方面要做很多工作。

3.2 項目措施

胭脂河項目包含數百萬個數據的運籌計算（涵蓋化學、生物和物理）以分析該項目大規模投資的水質效益[14]。在聯邦政府提供近3億美元的資金支持，并與州和地方的機構、社區、居民、工廠付出大量精力的共同努力下，河流恢復了活力[14-15]。這項研究在持續15年后使該地區的整體水質得到了實質性的提升，也是生物多樣性引入系統的成功嘗試。

在胭脂河項目中采取以下措施：移除堆積的泥沙以減少下游的沉積負荷，清除一些含量較高的金屬和多氯苯酚污染的沉積物，配合密歇根鄉土植物打造濕地生態系統，種植水生植物構成生物過濾體系，在流域附近高地規劃喬木、灌木、草本和地被多層次垂直群落結構，讓植物成為湖泊在內的河流流域生物過濾體系的主角，使當地的流域環境煥然一新。此外，在開闊水域和濕地建造魚類棲息地使水質得到改善的同時，也令湖泊皮劃艇等娛樂教育功能得到開發。

3.3 項目效果

溶解氧（DO）是衡量水質是否改善的最佳指標之一。1994年，胭脂河流域溶解氧趨近于0，捕魚業停滯。在為期15年的項目過程中，平均每年溶解氧提高0.22 mg/L，目前胭脂河流域的所有數據采集點的水質均得到了大幅改善，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。河流細菌水平也達到了人體皮膚可以隨時觸碰的標準，捕魚業恢復生機。原先的胭脂河流域水體富營養化嚴重，湖泊中一些沉積物受到金屬和多氯聯苯的污染水平較高，水生植物過度生長，魚類無法在缺氧和毒性蓄積的環境下生長，并對附近居民產生潛在的健康危害，這些問題都在項目結束后得到改善。

胭脂河項目的子項目中，如密歇根州迪爾伯恩的金魚斷崖修復（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的綠色生態系統，包括修建雨水花園、鋪設植被屋頂、建設滲透性鋪裝人行道等形式[14]。

通過生物過濾和開發雨水系統，該地區捕魚產業煥然一新。根據統計結果，該地區整個流域和胭脂河隨著植物種類的增加，魚類的多樣性也增加。該項目實施綠色基礎設施原則，運用自然過程控制污染物，提高系統水質，對人類產生正面影響[14]。系統設計通過拆除和更換現有的水壩、清除淤積的泥沙減少下游沉積負荷等方式，借力自然生態系統降低水處理系統的壓力，以較小的投入達到了人工污水調控系統的目標。

4 結語

世界衛生組織的報告顯示，截至2017年，全世界仍有7.85億人口缺乏基本的飲用水服務，其中1.44億人仍在飲用未處理過的地表水[16]，亟需系統的解決方案，生物過濾迫在眉睫。本文介紹了美國實施水過濾機制的監管程序、污染物過濾研究及相關案例，希望從中得到啟示為我國未來的生物過濾系統開拓新的思路。我國探索自然生物過濾體系改善水質的研究剛起步，期待在未來的研究中開發不同植物系統提高生物多樣性，以應對不同規模、尺度水質的凈化需求。

參考文獻

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