美国水污染生物过滤研究及实例

张德顺 孙力 托马斯?雷蒙德?戈茨 陈莹莹

收稿日期：2019-08-15

*基金项目：国家自然科学基金“城市绿地干旱生境的园林树种选择机制研究”（31770747）;“华东滨海地区抗风园林树种的

选择机制研究：以上海为例”（32071824）;同济大学第一批优质在线开放课程项目

第一作者：张德顺（1964- ），男，博士，教授、博士生导师，研究方向为风景园林。E-mail：zds@tongji.edu.cn

摘要：确保所有人获得健康的饮用水在当前任重而道远，单纯依靠常规处理方法无法满足当今全部的需求，而科学的“生物过滤”系统在未来或许可以有效替代传统的人工水净化体系。文章通过植物过滤饮用水中污染物砷的成功案例和密歇根州基于生物过滤体系成功实施的胭脂河流域净化项目介绍美国的“生物过滤”方法，希望为我国生物过滤系统的研究提供参考、开拓思路。

关键词：生物过滤，植物，水体净化，饮用水法规，污染物，美国

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

保证人人获得健康的饮用水仍是当今世界的一大难题。根据世界卫生组织（WHO）统计，全世界约有7.85亿人口仍然缺乏安全饮用水的基本服务。随着全球水质问题的持续恶化，迫切需要一种可行有效的解决方案，近年来，美国开始将不同植物运用到水处理系统中吸收水中的硝酸盐、氯和其他有害化学物质，这种结合自然过程处理水中化学物质的生态学方法被称为“生物过滤”（Biofiltration）。生物过滤是饮用水输配之前管理、维护及去除有机和无机物的过程，包括对水中溶解性有机质的去除、微量污染物的削减、嗅味化合物的控制等。

美国环境保护署（United States Environmental Protection Agency，EPA）将广义水污染定义为“水中任何物理的、化学的、生物的或有辐射的物质”，还提出“水分子以外的任何物质都是污染物”[1]。污染候选清单（Contaminate Candidate List， CCL）中特别列出了会造成人类健康风险的污染物[1]。目前的研究也表明，植物对污染物有吸收净化的作用，许多潜在的植物物种可以用于调控水体的净化过程。

根据美国《饮用水安全法案（Safe Drinking Water Act， SDWA）》，潜在的水污染物需要根据政府流程进行监管[2]。鉴于CCL中污染指标的广泛性，需要将污染物的量降低到可饮用的阈值。在《SDWA》中对污染的评估有3个标准：1）污染物会对人类健康产生不利影响;2）已知或者潜在的污染物出现在公共水系统中，其公共卫生水平会令人担忧;3）根据署长的独立判断，减少污染物会降低公共供水系统服务对象的健康风险[2]。

如何判定污染物符合标准，美国环境保护署将给出监管决定。监管决定是关于美国环境保护署是否启动针对特定污染物制定《国家初级饮用水法规》（National Primary Drinking Water Regulations， NPDWR）流程的正式决定[1-2]。美国政府在2003年5月发布了一项棘阿米巴原虫（ Acanthamoeba ）的监管决定，棘阿米巴是一种常见于水中和土壤中的原生动物，可引起角膜炎症和免疫缺陷的慢性脑炎[3]。监管决定在征询不同学科专家意见的基础上，使用数据驱动的方法评估不同人群接触棘阿米巴的风险。使用CCL、《SDWA》和EPA方法的监管决定结合以前的过程，罗列出公共饮用水系统所需过滤的6类污染物清單，即微生物、消毒剂、消毒副产物、无机化学品、有机化学品和放射性核素[4]，涵盖约95种污染物（常见的包括氯、铜、铅、铀等，不常见的包括牛磺酰基、五氯苯酚、苯乙烯、西玛津等）[5]。本文通过介绍一些水污染生物过滤的研究与实例，以期为植物净化的相关研究提供参考与借鉴。

1 生物过滤和生物砂过滤

生物过滤是美国《国家初级饮用水法规》确定的过滤污染物的潜在解决方案[6]，也有研究认为植物的木质部可降解有机物（Biodegradable Organic Matter， BOM），不仅可以过滤大量细菌，还可过滤各种无机污染物，如硝酸盐、溴酸盐、高氯酸盐、氯酸盐和亚硒酸盐，所有这些污染物都包含在美国《国家初级饮用水法规》中。但是生物过滤研究还处于起步阶段，成功投入使用前还需做大量工作[6]。

生物砂过滤（Biosand Filtration， BSF）技术[7]目前虽然还存在许多弊端，但可用于以家庭为单位的住宅房屋，不需要污水处理厂中的大型过滤装置。生物砂过滤系统是投入很少就可以有效过滤的小型水净化系统[8]，系统利用沙子、碎石、重力和一些简单的工程净化被生物物质和一些化学物质污染的水，促进有益微生物的生长并形成“生物膜”。正如可持续卫生和水管理工具箱网站（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无害微生物和水中有害生物因食物的捕食和竞争而产生的病原体”[9]，从而得到清洁的饮用水。系统还可以使病原微生物被截留、吸附，或因缺乏营养、氧气而死亡。然而，生物砂过滤是微生物系统，而不是植物系统，因此进一步研究植物在其自然生活状态下能否过滤水、利用微生物起源和生态系统发展等概念更高效地净化水系统以减少对完全人工系统的依赖是当务之急。

2 生物过滤与植物生态系统

在水过滤的过程中，长周期、低成本运营是植物生态系统的优势。开发一个水的自循环维系体系，通过自然过程做功，可以极大地降低更换设备和维护系统的运转费用。

著名设计杂志Dezeen刊发了一篇标题为《基于植物的净化系统将改变世界》的文章，该文重点介绍一种水过滤并从中提取砷的植物系统[10]。这一点意义特别，因为砷是美国《国家初级饮用水法规》中列出的污染物之一，也是发展中国家常见的污染物，甚至可以导致癌症。据世界卫生组织估计，每年大约有120万人死于砷中毒，因此该技术对全球都具有指导价值。在孟加拉国投入使用的这项基于植物的水体净化系统将含砷水泵入植物，如欧洲凤尾蕨（ Pteris cretica ）吸收的系统，系统吸收后达到饮用水标准（假设污染物仅为砷）可立即饮用。该文章还提到“几乎没有运行成本，也几乎不需要维护系统的专业知识”[10]，因此选取偏好砷且吸收率高的植物物种很重要，也为探索高吸收重金属的植物选择提供借鉴。

美国《国家初级饮用水法规》包含美国饮用水供应中大约100种受管制污染物的清单，但关注的是最普遍的污染物，以及如何通过打造更加多样化的过滤设施来改善生物径流系统。水敏城市合作研究中心（Cooperative Research Centre for Water Sensitive Cities）的一项研究解释了供水中最常见的污染物是氮、磷、重金属和病原体，还列出了实施生态水过滤系统的2项功能目标[11]，即至少50%有效满足水处理目标的植物种，以及在生物过滤区域尽量有这些物种的自然分布。

虽然功能目标很简单，但向当地生态系统引入新物种可能会对环境产生负面影响，这就需要因地制宜，确保生态安全和系统健康，因此乡土植物的应用就有一定的优势，如普雷萨苔草（ Carex appressa ）、圆齿苔草（ C. Tereticaulis ）、白千层（ Melaleuca incana ）、灯心草（ Juncus kraussii ）和灰灯芯草（ Juncus pallidus ）具有较高的氮吸收率[11]。只有對当地植物和生态系统深入研究，才能设计出更适合的过滤性生态系统，美国的案例研究对于深入理解生物过滤与天然供水系统的关系具有引领性。

3 胭脂河的案例研究

3.1 项目背景

美国水资源管理政策的变迁主要分为五个阶段，1980年至今为流域综合管理阶段，胭脂河案例就是这个阶段的典型[12-13]。1992年发起的胭脂河雨天全国示范项目（Rouge River National Wet Weather Demonstration Project）在美国密歇根州胭脂河流域展开实施，这是美国环境保护署（EPA）认定的最佳管理实践项目（Best Management Practices）[14]。当时的胭脂河接收底特律市区大部分地区的城市和工业废水排放，加之由于暴雨排放处理不当，河段水质恶化且部分河段从未达到水质标准，甚至散发出明显的臭味，致使河边的居民逐渐放弃了捕鱼业，因此，这片流域迫切需要水过滤系统和径流管理控制有害污染物，清洁因排放而污染的河流及周边土地。在胭脂河项目之前，“拯救”行动几乎完全集中在雨洪问题上，许多方案都不利于河流的整体健康。因此，胭脂河项目面临继续解决合流和污水管溢流的问题及严重的雨洪管理的挑战，生境恢复的必要性变得尤为重要。阴雨天气下的水污染控制对地方政府来说也是一项代价高昂的挑战，卫生下水道设计仅用于将污水输送至污水处理厂，类似的雨水排放系统也不是用来输送生活污水的，然而生活污水往往在降雨期间进入雨水系统，因此当地政府在确定污水收集系统和雨水排放系统方面要做很多工作。

3.2 项目措施

胭脂河项目包含数百万个数据的运筹计算（涵盖化学、生物和物理）以分析该项目大规模投资的水质效益[14]。在联邦政府提供近3亿美元的资金支持，并与州和地方的机构、社区、居民、工厂付出大量精力的共同努力下，河流恢复了活力[14-15]。这项研究在持续15年后使该地区的整体水质得到了实质性的提升，也是生物多样性引入系统的成功尝试。

在胭脂河项目中采取以下措施：移除堆积的泥沙以减少下游的沉积负荷，清除一些含量较高的金属和多氯苯酚污染的沉积物，配合密歇根乡土植物打造湿地生态系统，种植水生植物构成生物过滤体系，在流域附近高地规划乔木、灌木、草本和地被多层次垂直群落结构，让植物成为湖泊在内的河流流域生物过滤体系的主角，使当地的流域环境焕然一新。此外，在开阔水域和湿地建造鱼类栖息地使水质得到改善的同时，也令湖泊皮划艇等娱乐教育功能得到开发。

3.3 项目效果

溶解氧（DO）是衡量水质是否改善的最佳指标之一。1994年，胭脂河流域溶解氧趋近于0，捕鱼业停滞。在为期15年的项目过程中，平均每年溶解氧提高0.22 mg/L，目前胭脂河流域的所有数据采集点的水质均得到了大幅改善，溶解氧大多都在5 mg/L以上。整体大肠杆菌去除量很高，2009年全年已有80%以上的水样大肠杆菌浓度低于300 cfu/100 mL，其中雨天水样70%以上低于300 cfu/100 mL。河流细菌水平也达到了人体皮肤可以随时触碰的标准，捕鱼业恢复生机。原先的胭脂河流域水体富营养化严重，湖泊中一些沉积物受到金属和多氯联苯的污染水平较高，水生植物过度生长，鱼类无法在缺氧和毒性蓄积的环境下生长，并对附近居民产生潜在的健康危害，这些问题都在项目结束后得到改善。

胭脂河项目的子项目中，如密歇根州迪尔伯恩的金鱼断崖修复（the Kingfish Bluff restoration in Dearborn， Michigan）、南菲尔德的山毛榉林和特洛伊的消防员公园（the Firefighters Park in Troy， Michigan），也都更新了以植物为基础的绿色生态系统，包括修建雨水花园、铺设植被屋顶、建设渗透性铺装人行道等形式[14]。

通过生物过滤和开发雨水系统，该地区捕魚产业焕然一新。根据统计结果，该地区整个流域和胭脂河随着植物种类的增加，鱼类的多样性也增加。该项目实施绿色基础设施原则，运用自然过程控制污染物，提高系统水质，对人类产生正面影响[14]。系统设计通过拆除和更换现有的水坝、清除淤积的泥沙减少下游沉积负荷等方式，借力自然生态系统降低水处理系统的压力，以较小的投入达到了人工污水调控系统的目标。

4 结语

世界卫生组织的报告显示，截至2017年，全世界仍有7.85亿人口缺乏基本的饮用水服务，其中1.44亿人仍在饮用未处理过的地表水[16]，亟需系统的解决方案，生物过滤迫在眉睫。本文介绍了美国实施水过滤机制的监管程序、污染物过滤研究及相关案例，希望从中得到启示为我国未来的生物过滤系统开拓新的思路。我国探索自然生物过滤体系改善水质的研究刚起步，期待在未来的研究中开发不同植物系统提高生物多样性，以应对不同规模、尺度水质的净化需求。

参考文献

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[10]Fairs M.Plant-based water-purifying system named “Idea that will change the world”[EB/OL].[2019-03-17].https：//www.dezeen.com/2013/09/17/plant-based-water-purifying-system-named-idea-that-will-change-the-world.

[11]CRC for Water Sensitive Cities.Fact Sheet：Vegetation Selection for Storm Water Biofilters[EB/OL].[2019-03-17].https：//watersensitivecities.org.au/.

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