Optimization of the pollutant removal in partially unsaturated constructed wetland by adding microfiber and solid carbon source based on oxygen and carbon regulation  

基于氧碳調(diào)控的微纖維與固體碳源添加優(yōu)化部分不飽和人工濕地污染物去除  

來源：Science of the Total Environment 752 (2021) 141919

《總體環(huán)境科學(xué)》第752卷（2021年）文章編號(hào)141919

 

摘要內(nèi)容：  

針對(duì)部分不飽和人工濕地中廢水在基質(zhì)表面快速流動(dòng)導(dǎo)致水-生物膜-空氣接觸時(shí)間短，以及復(fù)氧增強(qiáng)加劇反硝化碳源不足的問題，本研究提出雙重優(yōu)化策略：(1) 在不飽和區(qū)添加親水性微纖維延長水力停留時(shí)間(HRT)，提升復(fù)氧效率；(2) 在飽和區(qū)添加緩釋碳源聚丁二酸丁二醇酯(PBS)作為電子供體。結(jié)果表明：微纖維使氨氧化效率提升至97.0%，并通過增加微生物附著位點(diǎn)顯著提高不飽和區(qū)微生物總量；PBS將總氮(TN)去除率從20.6±4.0%提升至90.4±2.7%，有效解決低碳氮比(C/N)導(dǎo)致的脫氮限制。首次采用微電極檢測生物膜內(nèi)溶解氧(DO)分布，證實(shí)同步硝化反硝化(SND)過程的存在。

 

研究目的：  

1. 驗(yàn)證微纖維延長不飽和區(qū)HRT對(duì)復(fù)氧效率和氨氧化的增強(qiáng)效果  

2. 評(píng)估PBS作為固體碳源對(duì)飽和區(qū)反硝化效率的提升作用  

3. 通過微生物群落和生物膜微環(huán)境解析污染物去除機(jī)制  

 

研究思路：  

1. 構(gòu)建四組模擬人工濕地(SCW)：對(duì)照組、微纖維組(F-SCW)、PBS組(P-SCW)、微纖維+PBS組(FP-SCW)  

2. 不飽和區(qū)(30cm)添加微纖維-礫石混合填料(1:4)，飽和區(qū)(50cm)添加3% PBS  

3. 連續(xù)運(yùn)行77天(20±5°C)，監(jiān)測COD、NH4+-N、TN等污染物沿程去除效率  

4. qPCR和高通量測序分析微生物功能基因及群落結(jié)構(gòu)  

5. 丹麥Unisense微電極掃描生物膜內(nèi)部DO梯度分布  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義：  

1. 污染物整體去除率（圖2）  

   ? 數(shù)據(jù)：FP-SCW組TN去除率94.8±3.2%，顯著高于對(duì)照組20.6±4.0%  

   ? 意義：證實(shí)微纖維+PBS協(xié)同實(shí)現(xiàn)高效脫氮  

 

2. 復(fù)氧效率（表1）  

   ? 數(shù)據(jù)：微纖維組氧攝取率(OU)達(dá)189±4 g/m3/d，比對(duì)照組高7.4%  

   ? 意義：量化微纖維對(duì)氧傳遞的增強(qiáng)效果  

 

3. 沿程DO變化（圖3）  

   ? 數(shù)據(jù)：微纖維組30cm處DO(3.39mg/L)是對(duì)照組(0.92mg/L)的3.7倍  

   ? 意義：揭示微纖維延長水-氣接觸時(shí)間機(jī)制  

 

 

4. 微生物豐度（表2）  

   ? 數(shù)據(jù)：FP組飽和區(qū)反硝化菌基因(narG+nirS+nirK+nosZ)豐度1.39×1011 copies/g，為對(duì)照組285倍  

   ? 意義：證實(shí)PBS顯著富集反硝化菌群  

 

 

5. 群落結(jié)構(gòu)（圖5）  

   ? 數(shù)據(jù)：微纖維組Clostridia相對(duì)豐度提升至15.6%，高于對(duì)照組9.2%  

   ? 意義：闡明微纖維改變好氧菌群組成  

 

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義  

使用Unisense OX25微電極(25μm尖端)以20μm步進(jìn)掃描生物膜（圖6），首次在人工濕地中發(fā)現(xiàn)：  

 

1. 揭示SND微環(huán)境：在800μm厚生物膜內(nèi)，DO從表層8.4mg/L劇降至底層0.11mg/L（550μm深度降至2mg/L以下），明確劃分出好氧區(qū)（0-550μm）和缺氧區(qū)（550-840μm），為同步硝化反硝化(SND)提供直接證據(jù)。  

2. 優(yōu)化設(shè)計(jì)依據(jù)：驗(yàn)證微纖維形成的厚生物膜可容納多元微生物分區(qū)，指導(dǎo)縮短不飽和區(qū)高度至20cm仍維持高效脫氮。  

 

結(jié)論：  

1. 微纖維通過延長HRT和增大比表面積，使不飽和區(qū)氨氧化效率達(dá)97.0%，OU提升至189g/m3/d  

2. PBS作為電子供體將飽和區(qū)TN去除率提升至90.4%，解決了低碳氮比瓶頸  

3. 微電極首次證實(shí)人工濕地生物膜內(nèi)存在DO梯度，支持SND過程在550-840μm缺氧區(qū)發(fā)生  

4. 組合策略使TN去除率突破94.8%，且COD出水穩(wěn)定達(dá)中國一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)(50mg/L)