High-efficient nitrogen and phosphorus removal and its mechanism in a partially unsaturated constructed wetland with Fe-C micro-electrolysis substrate

（濕地土壤）Fe-C 微電解基底部分不飽和人工濕地高效脫氮除磷及其機理

來源：Chemical Engineering Journal 431 (2022) 133252

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究通過構(gòu)建部分非飽和人工濕地（CWs）系統(tǒng)，探究Fe-C微電解基質(zhì)對低碳氮比（C/N=4）廢水中氮磷同步高效去除的機制。核心發(fā)現(xiàn)：

 

氮去除提升：Fe-C組合基質(zhì)使總氮（TN）去除率達86.5±1.7%，顯著高于對照組（36.7±3.6%）（圖2b）。

 

 

磷高效固定：Fe-C基質(zhì)通過形成穩(wěn)定的Fe,Ca,Al-P沉淀（占比45.3%）和有機磷（Porg，50.8%），實現(xiàn)總磷（TP）去除率98%（圖7）。

 

 

機制解析：Fe提供電子驅(qū)動反硝化，生物炭增強電子傳遞效率并吸附金屬離子；微電極證實Fe-C界面形成強還原微環(huán)境（圖3d-e）。

 

 

植物毒性降低：生物炭減少60%鐵用量，顯著緩解Fe對鳶尾（Iris wilsonii）的氧化脅迫（SOD活性↓29.5%，圖8b-d）。

 

 

研究目的

 

優(yōu)化脫氮除磷：解決傳統(tǒng)CWs中溶解氧（DO）不足和電子供體缺乏問題。

 

揭示Fe-C協(xié)同機制：從微環(huán)境、微生物、電子傳遞多維度解析Fe-C基質(zhì)作用原理。

 

評估生態(tài)友好性：探究基質(zhì)對植物生長的影響及恢復策略。

 

研究思路與技術(shù)路線

 

采用 構(gòu)建系統(tǒng)→多尺度分析→機制驗證 策略：

 

CWs系統(tǒng)設(shè)計：

 

建立4組垂直流CWs：對照組（CWB）、生物炭組（CWC）、鐵屑組（CWFe）、Fe-C組合組（CWFe-C）（圖1）。

 

 

創(chuàng)新非飽和區(qū)設(shè)計：親水微纖維+石英砂提升氧氣傳輸（高度20cm）。

 

長期運行監(jiān)測：

 

102天連續(xù)運行，監(jiān)測NH??-N、NO??-N、TN、TP沿程變化（圖2,9）。

 

結(jié)合Unisense微電極測定微環(huán)境DO/ORP（圖3）。

 

多尺度機制解析：

 

微生物層面：FISH分析功能菌分布（圖4a），高通量測序揭示菌群結(jié)構(gòu)（圖4c）。

 

基質(zhì)層面：SEM-EDS元素映射（圖5）、XRD/XPS價態(tài)分析（圖6）。

 

 

 

植物層面：抗氧化酶活性（SOD/CAT/MDA）及生長指標測定（圖8）。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. 污染物沿程去除（圖9）

 

數(shù)據(jù)：

 

CWFe-C中NO??-N在0-80cm段去除90%，TP去除＞90%（圖9d）。

 

Fe-C基質(zhì)使TN去除負荷提升135%（對比CWB）。

 

意義：明確非飽和區(qū)（供氧）和飽和區(qū)（Fe-C還原）的分區(qū)協(xié)同機制。

 

2. 微環(huán)境特性（圖3d-e）

 

數(shù)據(jù)：

 

Unisense微電極測得Fe-C界面ORP低至-150mV，DO≈0 mg/L（圖3e）。

 

比單一鐵屑基質(zhì)還原性強30%，證實生物炭提升電子傳遞效率。

 

意義：從微尺度揭示Fe-C形成強還原微環(huán)境驅(qū)動反硝化。

 

3. 微生物群落（圖4, 表1）

 

數(shù)據(jù)：

 

CWFe-C富集18種反硝化菌（如Thiobacillus, Thauera），相對豐度52.9%（圖4a）。

 

鐵氧化菌（Thiobacillus）豐度↑1.79%（CWFe-C）→促進Fe2?驅(qū)動的硝酸鹽厭氧氧化（NDFO）。

 

意義：生物炭優(yōu)化菌群結(jié)構(gòu)，強化生物-化學協(xié)同脫氮。

 

4. 磷形態(tài)轉(zhuǎn)化（圖7）

 

數(shù)據(jù)：

 

CWFe-C中穩(wěn)定態(tài)磷（Fe,Ca,Al-P + Porg）占比96.2%，對照組H?O-P為主（不穩(wěn)定）。

 

SEM-EDS顯示生物炭表面富集Fe、Ca、Al氧化物（圖5c）。

 

意義：揭示Fe-C通過金屬-P沉淀和生物吸附實現(xiàn)磷長效固定。

 

核心結(jié)論

 

分區(qū)協(xié)同機制：非飽和區(qū)供氧促硝化（NH??-N↓61.6%），飽和區(qū)Fe-C驅(qū)動反硝化（NO??-N↓90%）。

 

Fe-C電子傳遞鏈：Fe?→Fe2?釋放電子，生物炭加速電子轉(zhuǎn)移→提升反硝化效率（TN去除率86.5%）。

 

磷固定雙路徑：化學沉淀（Fe,Ca,Al-P）與生物吸附（Porg）共同實現(xiàn)近零TP排放。

 

生態(tài)友好性：生物炭減少鐵用量60%，緩解植物氧化損傷（MDA↓64.9%）。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的專項解讀

技術(shù)原理與部署

 

型號與功能：丹麥Unisense微電極系統(tǒng)，集成DO/ORP傳感器（精度0.1 mg/L），空間分辨率50μm（方法2.4）。

 

部署場景：

 

基質(zhì)界面微環(huán)境掃描（距表面0-200μm，圖3c）。

 

廢水沿程DO/ORP動態(tài)監(jiān)測（圖3a-b）。

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與機制解析

 

微尺度還原環(huán)境測繪（圖3d-e）：

 

電極掃描顯示Fe-C界面ORP梯度陡降（-150mV vs. -100mV），直接驗證 生物炭提升電子傳遞效率。

 

意義：首次量化Fe-C微電解的“電子橋梁”作用，解釋60%鐵用量下高效脫氮原因。

 

DO空間異質(zhì)性驗證：

 

非飽和區(qū)DO高達4 mg/L（圖3a），飽和區(qū)驟降至0 mg/L→支撐 分區(qū)供氧設(shè)計合理性。

 

意義：電極數(shù)據(jù)指導優(yōu)化非飽和區(qū)高度（20cm），平衡硝化與能耗。

 

微生物-微環(huán)境關(guān)聯(lián)：

 

低ORP區(qū)（Fe-C界面）與反硝化菌（DNB）富集位點重合（FISH熒光強度52.9%，圖4a）。

 

意義：空間匹配證實微環(huán)境驅(qū)動功能菌定植。

 

研究意義

 

方法學創(chuàng)新：

 

微電極實現(xiàn) 微米級環(huán)境測繪，突破傳統(tǒng)監(jiān)測局限（如混合液ORP無法反映界面過程）。

 

機制深度解析：

 

揭示“Fe釋電子 → C傳電子 → 微生物用電子”鏈條，為Fe-C基質(zhì)設(shè)計提供理論基準。

 

工程優(yōu)化指導：

 

明確80cm飽和區(qū)即可完成90%脫氮（圖9d），指導系統(tǒng)減容降耗。

 

應用價值

 

Fe-C基質(zhì)優(yōu)化：推薦Fe:C=3:2（v/v），平衡脫氮效率與植物毒性。

 

分區(qū)設(shè)計推廣：非飽和區(qū)（微纖維+石英砂）提升氧傳質(zhì)，適用于低碳氮比廢水。

 

電極技術(shù)拓展：Unisense微電極適用于生物膜/填料界面研究，為生態(tài)工程優(yōu)化提供高分辨工具。

 

總結(jié)：本研究通過Unisense電極揭示Fe-C微電解的電子傳遞機制，構(gòu)建高效脫氮除磷人工濕地系統(tǒng)，為廢水處理廠低碳改造提供技術(shù)支撐。