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

來源：Environmental Science and Pollution Research（2019年，第26卷）

 

論文總結

研究通過中試規模的集成垂直流人工濕地（IVCWs）處理低C/N比微污染河流水，評估了不同植物和基質配置對氮磷去除效率的影響，并提出了優化模型。以下是對論文的詳細總結。

 

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），導致西湖富營養化風險。研究設計了五種平行IVCWs（不同植物和基質配置），運行一年。進水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%（質量去除率0.09 g m?2 day?1）和62.3%（0.77 g m?2 day?1），水質從V類提升至IV類標準。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但反硝化弱，降低了總氮去除；Canna indica在前10個月因生物量高和微生物活性強，氮去除優于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，但頁巖陶粒更促進反硝化菌生長。最終提出了一個高效模型：C. indica + A. donax（DFU）-礫石（UL）-無煙煤+泥炭（ML）-沸石+頁巖陶粒（BL）-Acorus calamus（UFU）。

研究目的

本研究旨在解決以下核心問題：

 

評估IVCWs處理低C/N比微污染河流水的氮磷去除效率，為西湖生態修復提供技術支撐。

比較不同植物（C. indica、A. donax、T. dealbata）和基質（沸石、礫石、泥炭、頁巖陶粒等）配置對去除過程的影響。

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

 

提出一種高效的IVCW配置模型，用于工程化應用。

 

研究思路

研究采用中試實驗和系統分析策略：

 

實驗設計：在杭州玉皇山預處理場構建五種平行IVCWs（各120 m2），每個包含下流單元（DFU）和上流單元（UFU）。不同配置涉及上層（UL）、中層（ML）、底層（BL）的基質類型（如沸石、礫石、無煙煤、泥炭、頁巖陶粒）和植物種類（DFU種植C. indica、A. donax或T. dealbata；UFU均種植A. calamus）。

運行監測：從2017年1月至12月，在水力負荷750 mm day?1下運行，定期采集進水和出水樣品，分析TN、TP、COD、NH??、NO??等參數（標準方法）。

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

 

數據處理：通過方差分析、相關性分析、冗余分析（RDA）和主成分分析（PCA）評估影響因素和機制。

 

測量數據及其研究意義

以下列出關鍵測量數據、其來源（圖或表編號）及研究意義：

 

進水特性數據（來源：Table 1）

 

數據：進水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：確認進水為低C/N比微污染水，碳源不足是反硝化的主要限制因子，為優化碳源添加提供依據。

 

出水及去除率數據（來源：Table 2和Fig. 3）

 

 

 

數據：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IV類標準。Fig. 3顯示水質參數隨時間變化，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，季節性變化表明溫度是關鍵因素，指導運行策略。

 

質量去除率路徑數據（來源：Fig. 5）

 

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

 

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

 

植物生物量數據（來源：Fig. 6）

 

數據：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，C. indica前期優勢明顯，但A. donax冬季表現好，建議混合種植以全年高效。

 

沿程去除內容數據（來源：Fig. 7）

 

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

 

研究意義：揭示空間異質性，上層硝化為主，底層反硝化/anammox為主，優化基質分層配置。

 

微生物群落數據（來源：Fig. 10和Fig. 11）

 

 

數據：沸石層富集anammox菌（Gemmata和Pirellula），頁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：基質類型驅動微生物群落結構，沸石促進anammox，頁巖陶粒促進反硝化，泥炭提供碳源增強 denitrification。

 

酶活性和相關性數據（來源：Fig. 8和Fig. 9）

 

 

數據：硝酸還原酶活性（NRA）與NO??去除正相關；根際DO（Unisense測量）與硝化菌豐度相關。

 

研究意義：微生物活性直接驅動N轉化，植物ROL通過影響DO調節微生物過程。

 

研究結論

本研究得出以下核心結論：

 

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46.8%和62.3%，出水達IV類標準，適用于工程化應用。

植物配置關鍵：C. indica因生物量高和微生物促進強，前期N去除優；A. donax冬季表現好；混合種植（C. indica + A. donax）可全年高效。

基質配置優化：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+頁巖陶粒混合平衡anammox和反硝化。

微生物機制：碳源不足限制反硝化；泥炭添加促進denitrifiers生長；沸石富集anammox菌，頁巖陶粒富集反硝化菌。

 

理想模型：提出C. indica + A. donax（DFU）-礫石（UL）-無煙煤+泥炭（ML）-沸石+頁巖陶粒（BL）-A. calamus（UFU）配置，為類似項目提供設計指南。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

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

 

原位高精度測量：Unisense微電極可直接接觸植物根表（如C. indica、A. donax），實時測量根際DO（方法部分），避免取樣擾動。數據（結合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是濕地植物通過根系釋放氧氣的過程，影響根際氧化還原環境。Unisense數據證實C. indica的ROL更強，創建了好氧微環境，促進了硝化菌（如AOA和NOB）的生長和NH??去除（見Fig. 8a相關性）。

關聯微生物過程：根際DO與硝化活性正相關（e.g., Nitrosospumilus豐度），而與反硝化負相關。Unisense數據幫助解釋為什么C. indica種植的IVCWs硝化更強（Fig. 7a），而反硝化依賴碳源補充。

優化植物選擇：基于Unisense測量的ROL數據，C. indica被認為更優，因其高ROL增強硝化，但反硝化需碳源；這指導了混合種植策略以平衡全年性能。

 

技術優勢：Unisense電極的高空間分辨率（μm級）和實時監測能力，提供了傳統方法無法獲得的根際微環境數據，為理解植物-微生物相互作用提供了直接證據。沒有這些數據，ROL的定量貢獻和機制理解將缺乏實驗支持。

 

總之，丹麥Unisense電極數據是本研究的關鍵，通過提供根際DO的定量測量，它揭示了植物如何通過ROL調節濕地生化環境，從而優化設計（如植物選擇）以提高處理效率。這項技術增強了IVCWs機制研究的精準性，為生態工程優化提供了科學依據。