High performance of integrated vertical-flow constructed wetland for polishing low C/N ratio river based on a pilot-scale study in Hangzhou, China

垂直流人工濕地高效凈化低碳氮比河流——基于杭州中試研究

來(lái)源：Environmental Science and Pollution Research（2019年，第26卷）

 

論文總結(jié)

研究通過(guò)中試規(guī)模的集成垂直流人工濕地（IVCWs）處理低C/N比微污染河流水，評(píng)估了不同植物和基質(zhì)配置對(duì)氮磷去除效率的影響，并提出了優(yōu)化模型。以下是對(duì)論文的詳細(xì)總結(jié)。

 

摘要概括

摘要指出，錢塘江微污染河流水以硝酸鹽為主，C/N比低（0.72-0.77），導(dǎo)致西湖富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。研究設(shè)計(jì)了五種平行IVCWs（不同植物和基質(zhì)配置），運(yùn)行一年。進(jìn)水TN和TP平均濃度分別為2.24 mg/L和0.193 mg/L，IVCWs平均TN和TP去除率分別為46.8%（質(zhì)量去除率0.09 g m?2 day?1）和62.3%（0.77 g m?2 day?1），水質(zhì)從V類提升至IV類標(biāo)準(zhǔn)。碳源不足限制了中層和底層的反硝化；上層使用沸石比礫石硝化強(qiáng)但反硝化弱，降低了總氮去除；Canna indica在前10個(gè)月因生物量高和微生物活性強(qiáng)，氮去除優(yōu)于Arundo donax和Thalia dealbata；中層添加泥炭作為碳源顯著提高了N和P去除效率；底層沸石有利于anammox，但頁(yè)巖陶粒更促進(jìn)反硝化菌生長(zhǎng)。最終提出了一個(gè)高效模型：C. indica + A. donax（DFU）-礫石（UL）-無(wú)煙煤+泥炭（ML）-沸石+頁(yè)巖陶粒（BL）-Acorus calamus（UFU）。

研究目的

本研究旨在解決以下核心問(wèn)題：

 

評(píng)估IVCWs處理低C/N比微污染河流水的氮磷去除效率，為西湖生態(tài)修復(fù)提供技術(shù)支撐。

比較不同植物（C. indica、A. donax、T. dealbata）和基質(zhì)（沸石、礫石、泥炭、頁(yè)巖陶粒等）配置對(duì)去除過(guò)程的影響。

探究限制因素（如碳源不足）和機(jī)制（如硝化、反硝化、anammox），通過(guò)微生物群落分析揭示生物過(guò)程。

 

提出一種高效的IVCW配置模型，用于工程化應(yīng)用。

 

研究思路

研究采用中試實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)分析策略：

 

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：在杭州玉皇山預(yù)處理場(chǎng)構(gòu)建五種平行IVCWs（各120 m2），每個(gè)包含下流單元（DFU）和上流單元（UFU）。不同配置涉及上層（UL）、中層（ML）、底層（BL）的基質(zhì)類型（如沸石、礫石、無(wú)煙煤、泥炭、頁(yè)巖陶粒）和植物種類（DFU種植C. indica、A. donax或T. dealbata；UFU均種植A. calamus）。

運(yùn)行監(jiān)測(cè)：從2017年1月至12月，在水力負(fù)荷750 mm day?1下運(yùn)行，定期采集進(jìn)水和出水樣品，分析TN、TP、COD、NH??、NO??等參數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)方法）。

樣品分析：測(cè)量植物生物量、基質(zhì)吸附能力、微生物活性（如硝酸還原酶活性NRA）、微生物群落（16S rRNA高通量測(cè)序）。使用丹麥Unisense氧微電極（REF321 OX-50）測(cè)量植物根際溶解氧（DO），評(píng)估徑向氧損失（ROL）。

 

數(shù)據(jù)處理：通過(guò)方差分析、相關(guān)性分析、冗余分析（RDA）和主成分分析（PCA）評(píng)估影響因素和機(jī)制。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

以下列出關(guān)鍵測(cè)量數(shù)據(jù)、其來(lái)源（圖或表編號(hào)）及研究意義：

 

進(jìn)水特性數(shù)據(jù)（來(lái)源：Table 1）

 

數(shù)據(jù)：進(jìn)水TN平均2.24 mg/L，TP平均0.193 mg/L，COD平均5.67 mg/L，C/N比0.72-0.77。

 

研究意義：確認(rèn)進(jìn)水為低C/N比微污染水，碳源不足是反硝化的主要限制因子，為優(yōu)化碳源添加提供依據(jù)。

 

出水及去除率數(shù)據(jù)（來(lái)源：Table 2和Fig. 3）

 

 

 

數(shù)據(jù)：IVCWs平均TN去除率46.8%（IVCW3最高55.1%），TP去除率62.3%（IVCW5最高70.8%）；出水TN降至1.19 mg/L，TP降至0.072 mg/L，達(dá)IV類標(biāo)準(zhǔn)。Fig. 3顯示水質(zhì)參數(shù)隨時(shí)間變化，夏季去除率高（溫度影響）。

 

研究意義：證明IVCWs有效處理低C/N比水，季節(jié)性變化表明溫度是關(guān)鍵因素，指導(dǎo)運(yùn)行策略。

 

質(zhì)量去除率路徑數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 5）

 

數(shù)據(jù)：植物吸收貢獻(xiàn)N去除102.6 mg m?2 day?1（C. indica最高），基質(zhì)吸附貢獻(xiàn)20-40%，微生物去除貢獻(xiàn)30-50%。

 

研究意義：量化各路徑貢獻(xiàn)，植物吸收是主要途徑，微生物過(guò)程依賴碳源，支持內(nèi)部碳源添加的必要性。

 

植物生物量數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 6）

 

數(shù)據(jù)：C. indica aboveground生物量最高（峰值約3000 g m?2），A. donax在冬季生物量高。

 

研究意義：生物量與N去除正相關(guān)，C. indica前期優(yōu)勢(shì)明顯，但A. donax冬季表現(xiàn)好，建議混合種植以全年高效。

 

沿程去除內(nèi)容數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 7）

 

數(shù)據(jù)：上層NH??去除高（沸石吸附強(qiáng)），中層和底層NO??去除依賴碳源（泥炭添加提升效率）。

 

研究意義：揭示空間異質(zhì)性，上層硝化為主，底層反硝化/anammox為主，優(yōu)化基質(zhì)分層配置。

 

微生物群落數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 10和Fig. 11）

 

 

數(shù)據(jù)：沸石層富集anammox菌（Gemmata和Pirellula），頁(yè)巖陶粒層富集反硝化菌（Bacillus、Pseudomonas）；泥炭添加增加denitrifiers豐度。

 

研究意義：基質(zhì)類型驅(qū)動(dòng)微生物群落結(jié)構(gòu)，沸石促進(jìn)anammox，頁(yè)巖陶粒促進(jìn)反硝化，泥炭提供碳源增強(qiáng) denitrification。

 

酶活性和相關(guān)性數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 8和Fig. 9）

 

 

數(shù)據(jù)：硝酸還原酶活性（NRA）與NO??去除正相關(guān)；根際DO（Unisense測(cè)量）與硝化菌豐度相關(guān)。

 

研究意義：微生物活性直接驅(qū)動(dòng)N轉(zhuǎn)化，植物ROL通過(guò)影響DO調(diào)節(jié)微生物過(guò)程。

 

研究結(jié)論

本研究得出以下核心結(jié)論：

 

IVCWs高效可行：所有IVCWs均能有效處理低C/N比河流水，TN和TP去除率分別達(dá)46.8%和62.3%，出水達(dá)IV類標(biāo)準(zhǔn)，適用于工程化應(yīng)用。

植物配置關(guān)鍵：C. indica因生物量高和微生物促進(jìn)強(qiáng)，前期N去除優(yōu)；A. donax冬季表現(xiàn)好；混合種植（C. indica + A. donax）可全年高效。

基質(zhì)配置優(yōu)化：上層礫石比沸石更利反硝化；中層添加泥炭作為碳源顯著提升N和P去除；底層沸石+頁(yè)巖陶?；旌掀胶鈇nammox和反硝化。

微生物機(jī)制：碳源不足限制反硝化；泥炭添加促進(jìn)denitrifiers生長(zhǎng)；沸石富集anammox菌，頁(yè)巖陶粒富集反硝化菌。

 

理想模型：提出C. indica + A. donax（DFU）-礫石（UL）-無(wú)煙煤+泥炭（ML）-沸石+頁(yè)巖陶粒（BL）-A. calamus（UFU）配置，為類似項(xiàng)目提供設(shè)計(jì)指南。

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

在本研究中，丹麥Unisense氧微電極（型號(hào)REF321 OX-50，尖端直徑40-60 μm）用于測(cè)量植物根際溶解氧（DO）濃度，其研究意義主要體現(xiàn)在：

 

原位高精度測(cè)量：Unisense微電極可直接接觸植物根表（如C. indica、A. donax），實(shí)時(shí)測(cè)量根際DO（方法部分），避免取樣擾動(dòng)。數(shù)據(jù)（結(jié)合Fig. 9a）顯示，C. indica根際DO較高（約2-4 mg/L），A. donax次之，T. dealbata較低。

量化徑向氧損失（ROL）：ROL是濕地植物通過(guò)根系釋放氧氣的過(guò)程，影響根際氧化還原環(huán)境。Unisense數(shù)據(jù)證實(shí)C. indica的ROL更強(qiáng)，創(chuàng)建了好氧微環(huán)境，促進(jìn)了硝化菌（如AOA和NOB）的生長(zhǎng)和NH??去除（見Fig. 8a相關(guān)性）。

關(guān)聯(lián)微生物過(guò)程：根際DO與硝化活性正相關(guān)（e.g., Nitrosospumilus豐度），而與反硝化負(fù)相關(guān)。Unisense數(shù)據(jù)幫助解釋為什么C. indica種植的IVCWs硝化更強(qiáng)（Fig. 7a），而反硝化依賴碳源補(bǔ)充。

優(yōu)化植物選擇：基于Unisense測(cè)量的ROL數(shù)據(jù)，C. indica被認(rèn)為更優(yōu)，因其高ROL增強(qiáng)硝化，但反硝化需碳源；這指導(dǎo)了混合種植策略以平衡全年性能。

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：Unisense電極的高空間分辨率（μm級(jí)）和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力，提供了傳統(tǒng)方法無(wú)法獲得的根際微環(huán)境數(shù)據(jù)，為理解植物-微生物相互作用提供了直接證據(jù)。沒(méi)有這些數(shù)據(jù)，ROL的定量貢獻(xiàn)和機(jī)制理解將缺乏實(shí)驗(yàn)支持。

 

總之，丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)是本研究的關(guān)鍵，通過(guò)提供根際DO的定量測(cè)量，它揭示了植物如何通過(guò)ROL調(diào)節(jié)濕地生化環(huán)境，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)（如植物選擇）以提高處理效率。這項(xiàng)技術(shù)增強(qiáng)了IVCWs機(jī)制研究的精準(zhǔn)性，為生態(tài)工程優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)。