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

部分不飽和人工濕地中Fe-C微電解基質高效脫氮除磷機制研究  

來源：Chemical Engineering Journal, 431 (2022) 133252

《化學工程雜志》第431卷 2022年 文章編號：133252

 

摘要內容

 

摘要指出：針對人工濕地（CWs）中氨氧化溶解氧不足和反硝化電子供體有限的問題，本研究提出采用部分不飽和設計結合Fe-C微電解基質的新型人工濕地系統。通過微電極剖面、微生物群落分析和基質表征等技術，發現不飽和段顯著提升NH4+-N去除率（從25.1 mg/L降至<10 mg/L），Fe-C組合在減少鐵用量的條件下實現總氮（TN）去除率86.5±1.7%和總磷（TP）去除率98%。其機制包括：Fe作為電子供體驅動反硝化；生物炭促進電子傳遞并吸附金屬離子形成穩定磷沉淀；Fe-C微電解降低微環境氧化還原電位（ORP），優化微生物功能。  

 

研究目的

構建部分不飽和Fe-C基質人工濕地，實現低C/N比廢水中COD、NH4+-N、NO3-N和TP的高效同步去除。  

 

揭示Fe-C促進脫氮除磷的理化與微生物機制。  

 

闡明生物炭在Fe-C組合中的作用及其對植物毒性的影響。  

 

研究思路

實驗設計：  

 

構建四組垂直流人工濕地：對照組（CWB，石英砂）、生物炭組（CWC）、鐵屑組（CWFe）、Fe-C組合組（CWFe-C，Fe:C=12%:8%）。  

 

設置20 cm不飽和段（親水纖維+石英砂）增強氧氣輸送，50 cm飽和段填充功能基質。  

 

進水水質：NH4+-N 25 mg/L, NO3-N 15 mg/L, TP 3 mg/L, COD 100 mg/L, HRT=36 h。  

技術方法：  

 

水質監測：常規指標（DO、ORP、NH4+-N、NO3-N、TP）沿程分析（圖2, 圖3a-b, 圖9）。  

 

 

 

微電極系統（丹麥Unisense）：測定基質微環境DO/ORP（圖3c-e）。  

 

微生物分析：熒光原位雜交（FISH）定量反硝化菌（圖4a）；16S rRNA測序解析群落結構（圖4c, 表1）。  

 

 

基質表征：SEM-EDS觀察元素分布（圖5）；XRD/XPS分析鐵價態（圖6）；磷形態分級（圖7）。  

 

 

 

 

植物毒性評估：抗氧化酶活性（SOD、CAT）和生長指標（圖8）。  

 

測量數據及研究意義

水質去除效率：  

 

數據來源：圖2（污染物濃度時序變化）和圖9（沿程分布）。  

 

意義：CWFe-C的TN/TP去除率（86.5%/98%）顯著高于對照組（36.7%/33.9%），證實Fe-C協同提升脫氮除磷；不飽和段使NH4+-N去除率>60%（傳統濕地僅3.8%）。  

微環境參數（DO/ORP）：  

 

數據來源：圖3a-b（宏觀沿程）和圖3d-e（微電極原位測量）。  

 

意義：Fe-C組合微環境ORP最低（-150 mV），DO擴散速率最快，揭示生物炭加速電子傳遞，促進反硝化（圖3e）。  

微生物群落：  

 

數據來源：圖4a（FISH顯示CWFe-C反硝化菌占比52.92%）；表1（Thiobacillus/Thauera富集）。  

 

意義：Fe-C富集硝酸鹽依賴型鐵氧化菌（NDFO），通過Fe2+→Fe3+電子轉移驅動NO3-N還原（式4）。  

基質表征：  

 

數據來源：圖5（SEM-EDS顯示生物炭表面富集Fe/Ca/Al）；圖6（XRD證實Fe0→Fe3O4/FeO(OH)轉化）；圖7（Fe,Ca,Al-P占TP 45.3%）。  

 

意義：生物炭提供吸附位點，促進鐵氧化物沉淀固磷；XPS驗證Fe2+為電子供體（圖6e-h）。  

植物響應：  

 

數據來源：圖8（CWFe-C植物SOD活性最低，生物量最高）。  

 

意義：生物炭減少鐵用量（僅CWFe的60%），緩解Fe誘導的氧化應激。  

 

結論

脫氮機制：不飽和段提升DO促進NH4+-N氧化；Fe-C微電解提供電子（Fe0→Fe2+），生物炭加速電子傳遞，驅動Thiobacillus/Thauera菌反硝化（NO3-N→N2）。  

 

除磷機制：Fe2+/Fe3+與磷酸鹽形成Fe,Ca,Al-P沉淀（53.1%），生物炭吸附穩定化（Porg占50.8%）。  

 

協同優勢：Fe-C組合較單一Fe減少40%鐵用量，降低植物毒性（MDA含量下降64.9%），實現高效低環境風險運行。  

 

Unisense電極數據的詳細解讀

 

使用丹麥Unisense微電極測量的DO和ORP微剖面數據具有以下核心研究意義：  

揭示微區電子傳遞機制：  

 

靠近Fe-C基質時DO驟降（從4 mg/L→0 mg/L）、ORP降至-150 mV（圖3d-e），證明生物炭形成導電網絡，加速Fe腐蝕釋放電子（Fe0+2H2O→H2+Fe2++2OH-），為反硝化菌提供還原環境。  

量化代謝活性差異：  

 

CWFe-C陰極區ORP比CWFe低50 mV（圖3e），說明生物炭提升電子傳遞效率，解釋TN去除率提高10.4%（CWFe-C:86.5% vs. CWFe:76.1%）。  

關聯微生物活性：  

 

低ORP微環境促進反硝化菌（如Denitratisoma）富集（圖4c），其豐度與ORP呈顯著負相關（r=-0.89），直接驗證Fe-C優化菌群功能。  

指導工藝優化：  

 

微區DO梯度顯示不飽和段氧傳質效率（DO>1.5 mg/L），為硝化創造條件；飽和段Fe-C維持缺氧（DO≈0），保障反硝化，為分區設計提供理論依據。