英文原题：
Enabling Water Reuse by Treatment of Reverse Osmosis Concentrate: The Promise of Constructed Wetlands
通讯作者：David L. Sedlak，加州大学伯克利分校土木和环境学院；NSF重塑国家城市水利基础设施工程研究中心
作者：Rachel C. Scholes, Angela N. Stiegler, Cayla M. Anderson, and David L. Sedlak
内容简介
加州大学伯克利分校 David L. Sedlak 团队，在总结反渗透浓缩液处理中的挑战和局限性的前提下，提出了以人工湿地为代表的基于自然系统的技术优点和应用前景，并对目前该类技术的研究阶段和能够促进其广泛应用的研究方向进行了分析和总结。
摘要
文章解读
随着越来越多的城市面临水资源压力，反渗透(RO)膜被更广泛地应用于污水处理和回用。反渗透产生的浓缩液如果排放到地表水或浅海生态系统，可能会造成慢性生态毒性风险。人工湿地因为具有同时处理营养物质、金属和微量有机污染物的潜力，相对较低的成本，而且也非常受公众欢迎，因此有望成为一种可行的多效益解决方案。
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管理RO浓缩液的挑战越来越大
处理反渗透浓缩液最简单的方法是将其与城市污水厂出水混合。此时，当污水中只有一小部分被循环利用时，排放到接收水体中的更高浓度的污染物通常不会导致水质超标。然而，当城市污水中的很大一部分都被循环利用时，就需要考虑对浓缩液的处理。考虑到现有的反渗透系统通常大约循环利用85%的污水，David L. Sedlak 团队预测，当进入处理厂的污水中大约有60%被循环利用时，混合出口中的污染物浓度将会翻倍，当其有85%被循环利用时，污染物浓度将会再次翻倍，如果将所有的污水都进行循环利用，其浓度将比污水中的原有浓度高6到7倍（图1）。在南旧金山湾做的一个风险熵分析表明，能够对水生生态系统构成风险的微量污染物浓度与污水厂出水中的浓度相当或接近(例如吡虫啉，氟虫腈和磺胺甲恶唑)，所以如果排放到接收水体中的浓度增加一倍可能会导致慢性水生毒性。此外，在污水中存在的微量金属中，铜是一个令人担忧的问题，因为低浓度的铜也对水生生物有影响。而且，水回用也会导致诸如硝酸盐、多氟烷基物质和全氟烷基物质等能对下游饮用水源构成潜在风险的污染物的浓度增加而增加人类的健康风险。
图1. 当以 RO 为基础的水回用实施后相对于城市污水排放水中污染物浓度的相对增加系数
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缺水城市附近浓缩液管理的局限性
为了深入了解未来可能需要进行 RO 浓缩液处理的位置，David L. Sedlak 团队考虑了缺水地区的大城市。在全球100个人口最多的城市中，有40个城市所处区域已经有很高或极高的水资源压力（图2），其中那些位于富裕国家的城市将是可饮用再生水利用的早期采用者。此外，团队还考虑了污水处理厂的排放位置，因为沿海和内陆地区的排放基础设施可能不同，也就意味着反渗透浓缩液的管理方法可能不同。对于内陆的水资源紧张城市，营养物质和微量污染物应该是更大的问题，特别是在地表水已经具有相对较高盐浓度的干旱地区。沿海城市如果有适当的排放基础设施(即深水排水口)就可以避免使用反渗透浓缩液处理系统，因为海洋能对其进行大量稀释。但是在城市向沿海浅水或河流排放的情况下，反渗透浓缩液中的高污染物浓度可能会对当地生态系统构成威胁，这就导致与内陆城市面临了类似的问题。即使在使用深海排水口的地方，在排水口附近的生态影响可能仍然是一个问题。
图2. 100个人口最多城市的水资源压力，以及面临高度或极高水资源压力城市的靠近海洋情况。
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基于自然的RO浓缩液处理系统的前景
与臭氧/生物活性炭、高级氧化、电化学处理、活性炭吸附、光催化、超声波分解相比，基于自然的处理系统可能是反渗透浓缩液处理的合适选择，因为它们能够低成本的实现对不稳定有机碳、悬浮固体和含盐废水中无机氮的去除。此外，人工湿地处理可以减少处理过程中所需的步骤数，因为物理、化学和生物去除机制同时发生在湿地中，而其他处理系统一次只使用一组过程(图3)。这一特征意味着湿地可以在不需要额外工程处理的情况下去除营养物质、微量金属和微量有机污染物。透过用于城市污水处理厂出水净化湿地系统的成本，可以深入了解用于处理反渗透浓缩液人工湿地的建设、运营和维护成本。土地征用和场地维护是影响湿地处理成本的重要因素，因为几乎不需要其他操作和维护。因此可以得出，表面流人工湿地比现有的浓缩液管理技术(包括蒸发池、注入井和零液体排放系统)更便宜。然而，由于缺乏专门用于处理来自可饮用回用水项目的反渗透浓缩液湿地性能的研究和资料，可能会减缓其进展。但人工湿地除了具有成本的优势外，公众对湿地可以提供额外好处的认可也吸引着决策者做出决定。例如，人工湿地可以用来创造野生动物栖息地，改善生物多样性，并提供娱乐和教育机会。
图3. 潜流湿地同时发生的主要金属、微量有机污染物和硝酸盐去除机制
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使用人工湿地处理RO浓缩液的早期研究阶段
尽管人工湿地以具有成本效益的方式去除污水厂出水或受出水影响的地表水中污染物的能力已经得到证实，但使用基于自然的系统处理反渗透浓缩液的研究仍处于早期阶段。然而，一些城市正在试验基于自然的反渗透浓缩液处理系统，这些项目处于不同的发展阶段，也有着不同的项目驱动。例如，来自比利时的 Torreele 回用水厂采用了潜流湿地系统处理反渗透浓缩液，其目的是为了减少向北海排放营养物质和金属的相关许可证费用。城市考虑人工湿地处理 RO 浓缩液的另一个激励因素是栖息地的创造。加利福尼亚州Oxnard市已将栖息地创造确定为管理城市RO浓缩液的驱动因素。尽管这座沿海城市有深海排污口来排放废水，但他们还是利用反渗透浓缩液创造了一个微咸湿地栖息地。这些初步研究表明，基于自然的反渗透浓缩液管理系统具有很多的吸引力：水质效益、节约成本、适应海平面上升和创造栖息地。然而，迄今为止进行的实验并没有对去除所有相关污染物的潜力提供全面的认识。因此，为了使基于自然的反渗透浓缩液管理系统变得更加流行，还需要进一步的研究来指导其设计、演示性能和降低成本。
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使基于自然的 RO 浓缩液处理系统
得以广泛使用的研究领域
尽管基于自然的处理系统在管理可饮用回用水项目产生的反渗透浓缩液中具有极具吸引力的优势，但工程师可能不会将其纳入设计，因为他们认为其性能存在缺陷，缺乏标准化设计，缺乏来自试点和全尺寸规模系统的数据。为了更快速地发展基于自然的系统，需要在几个关键领域进行进一步研究。在与基于自然的反渗透浓缩液处理系统相关的挑战中，土地征用可能是一个主要障碍，特别是在土地比较贵的城市。例如，对于为去除城市污水厂出水中的硝酸盐而建造的湿地而言，大约需要18公顷的湿地来去除每天100万升(MLD)废水中90%的硝酸盐。在夏季，当反硝化率较高时，open-water 湿地大约需要1公顷处理每 MLD (图4)。而大型城市污水处理厂每 MLD 设计处理量的占地面积一般不超过0.5公顷。处理反渗透浓缩液而不是城市污水厂出水有可能会减少人工湿地的足迹，因为需要处理的水量最多可以减少85%，但废水量与所需面积之间不是一对一的关系。此外，还需要进一步的研究来评估有毒微量金属在人工湿地系统中的归趋，并优化它们的处理。除了优化人工湿地的效率外，另一种减少反渗浓缩液处理足迹的研究策略包括使用混合系统。例如，在一个中试规模的 open-water 湿地上游进行臭氧预处理，可以以比单独使用湿地更小的足迹去除微量有机污染物，同时还可以强化那些与臭氧反应较少污染物的去除。也有人提出通过结合曝气、电解或其他改造措施来强化湿地，尽管这种方法需要在改造与保持人工湿地的独特优势之间取得平衡。
在冬季，基于自然系统的性能下降通常被视为一个严重的限制，因为反硝化等微生物过程的速率会随着温度的降低而降低。尽管排放许可证通常要求全年的统一性能，但在水再生利用的背景下，这一问题可能不那么重要，因为夏季的水需求往往最高，而此时基于自然的系统也最为有效。在需要冬季处理的地方，与空气温度绝缘的潜流湿地系统可以全年都持续提供处理，尽管废水温度低至10℃。总之，人工湿地作为反渗透浓缩液处理系统的潜力值得进一步关注，这需要重点研究人工湿地的潜在机制和优化湿地设计，以支持这些高效和理想的处理技术被采用，并实现在可饮用再生水领域的广泛使用。
图4. 季节对人工湿地去除城市污水厂出水和反渗透浓缩液中硝酸盐足迹的影响。使用引用的以前数据绘制的图。
该项目得到了美国国家科学基金(NSF)通过重塑国家城市水利基础设施工程研究中心(ReNUWIt; EEC-1028968)和能源部通过清洁能源水能源技术研究中心(CERC-WET, DE-IA 0000018)提供的支持。研究的相关结果已发表于 ACS Environmental Au。
*感谢西安建筑科技大学郑于聪副教授撰写本文中文解读！
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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