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

基于氧碳調控的微纖維與固體碳源添加優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

《總體環境科學》第752卷（2021年）文章編號141919

 

摘要內容：  

針對部分不飽和人工濕地中廢水在基質表面快速流動導致水-生物膜-空氣接觸時間短，以及復氧增強加劇反硝化碳源不足的問題，本研究提出雙重優化策略：(1) 在不飽和區添加親水性微纖維延長水力停留時間(HRT)，提升復氧效率；(2) 在飽和區添加緩釋碳源聚丁二酸丁二醇酯(PBS)作為電子供體。結果表明：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顯著提高不飽和區微生物總量；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)導致的脫氮限制。首次采用微電極檢測生物膜內溶解氧(DO)分布，證實同步硝化反硝化(SND)過程的存在。

 

研究目的：  

1. 驗證微纖維延長不飽和區HRT對復氧效率和氨氧化的增強效果  

2. 評估PBS作為固體碳源對飽和區反硝化效率的提升作用  

3. 通過微生物群落和生物膜微環境解析污染物去除機制  

 

研究思路：  

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

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

3. 連續運行77天(20±5°C)，監測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構  

5. 丹麥Unisense微電極掃描生物膜內部DO梯度分布  

 

測量數據及研究意義：  

1. 污染物整體去除率（圖2）  

   ? 數據：FP-SCW組TN去除率94.8±3.2%，顯著高于對照組20.6±4.0%  

   ? 意義：證實微纖維+PBS協同實現高效脫氮  

 

2. 復氧效率（表1）  

   ? 數據：微纖維組氧攝取率(OU)達189±4 g/m3/d，比對照組高7.4%  

   ? 意義：量化微纖維對氧傳遞的增強效果  

 

3. 沿程DO變化（圖3）  

   ? 數據：微纖維組30cm處DO(3.39mg/L)是對照組(0.92mg/L)的3.7倍  

   ? 意義：揭示微纖維延長水-氣接觸時間機制  

 

 

4. 微生物豐度（表2）  

   ? 數據：FP組飽和區反硝化菌基因(narG+nirS+nirK+nosZ)豐度1.39×1011 copies/g，為對照組285倍  

   ? 意義：證實PBS顯著富集反硝化菌群  

 

 

5. 群落結構（圖5）  

   ? 數據：微纖維組Clostridia相對豐度提升至15.6%，高于對照組9.2%  

   ? 意義：闡明微纖維改變好氧菌群組成  

 

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義  

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

 

1. 揭示SND微環境：在800μm厚生物膜內，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（0-550μm）和缺氧區（550-840μm），為同步硝化反硝化(SND)提供直接證據。  

2. 優化設計依據：驗證微纖維形成的厚生物膜可容納多元微生物分區，指導縮短不飽和區高度至20cm仍維持高效脫氮。  

 

結論：  

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

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

3. 微電極首次證實人工濕地生物膜內存在DO梯度，支持SND過程在550-840μm缺氧區發生  

4. 組合策略使TN去除率突破94.8%，且COD出水穩定達中國一級A標準(50mg/L)