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

基于氧碳調控的添加微纖維和固體碳源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

《總環境科學》第 752 卷（2021 年）第 141919 篇

 

 

摘要內容：  

研究針對部分不飽和人工濕地（CW）中廢水在基質表面快速重力流動導致水-生物膜接觸時間短，以及強化供氧消耗有機碳加劇反硝化電子供體不足的問題，提出兩種策略：（1）在不飽和區添加親水棉微纖維延長水力停留時間（HRT）并提高氧合效率；（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，微纖維增強型CW的氨氧化效率高達97.0%；PBS添加使總氮（TN）去除率從20.6±4.0%提升至90.4±2.7%。微纖維增加微生物附著位點，PBS提供穩定碳源，二者協同實現深度脫氮。  

 

研究目的：  

優化部分不飽和CW的氮去除性能，通過延長不飽和區HRT增強硝化，補充飽和區碳源強化反硝化，解決傳統設計因低C/N比導致的脫氮效率低問題。  

 

研究思路：  

1. 構建實驗系統：設計四種柱式模擬CW（Control-SCW對照、F-SCW加微纖維、P-SCW加PBS、FP-SCW同時添加），不飽和區高30cm（礫石+微纖維），飽和區高50cm（礫石+PBS）。  

2. 水質監測：連續流運行77天（HRT=36h），監測COD、TN、NH??-N、NO??-N、TP沿程變化（圖2-4）。  

 

 

 

3. 微生物分析：qPCR定量功能基因（amoA、narG/nirS/nirK/nosZ），高通量測序分析群落結構（圖5、表2）。  

 

 

4. 生物膜氧微環境：首次采用Unisense微電極（OX 25, 25μm）測量生物膜內部DO分布（圖6）。  

 

測量數據及研究意義：  

1. 水質去除率（圖2）：  

   ? F-SCW和FP-SCW的NH??-N去除率（98.1%和97.7%）顯著高于Control（81.2%），證明微纖維延長HRT提升氧合效率。  

 

   ? P-SCW和FP-SCW的TN去除率（90.4%和94.8%）較Control（20.6%）大幅提高，表明PBS緩解碳源限制。  

 

2. 沿程DO變化（圖3）：  

   ? F-SCW不飽和區末端DO（3.39 mg/L）高于Control（0.92 mg/L），說明微纖維增強氧傳遞。  

 

3. 微生物豐度（表2）：  

   ? FP-SCW飽和區反硝化菌基因豐度（1.39×1011 copies/g）為Control的285倍，證實PBS富集反硝化菌。  

 

4. 群落結構（圖5）：  

   ? FP-SCW不飽和區Clostridia豐度顯著提升，表明微纖維改變微生物群落組成。  

 

5. 氧攝取率（OU）（表1）：  

   ? F-SCW和FP-SCW的OU（189±4 g/m3/d）顯著高于Control（176±3 g/m3/d），量化微纖維對好氧代謝的促進作用。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義：  

使用Unisense OX 25微電極（分辨率25μm，步長20μm）首次測量了CW生物膜內部DO的垂直分布（圖6）。數據顯示：  

? 生物膜分層特征：在FP-SCW的微纖維表面，0–550μm深度DO從8.40 mg/L降至2 mg/L（硝化區），550–840μm深度DO降至0.11 mg/L（反硝化區）。  

 

? SND機制的直接證據：明確揭示生物膜內同步硝化反硝化（SND）的空間分層，推翻傳統宏觀DO監測的局限性，為解釋高效脫氮提供微觀依據。  

 

? 工程指導價值：證實800μm厚生物膜可同時維持好氧/缺氧微環境，指導未來設計通過調控生物膜厚度優化脫氮。  

 

結論：  

1. 技術效果：微纖維將不飽和區NH??-N去除率提至97%，PBS使飽和區TN去除率升至90.4%；組合（FP-SCW）實現深度脫氮（TN去除率94.8%）。  

2. 機制創新：微纖維通過延長HRT和增加比表面積強化氧傳遞；PBS作為緩釋碳源富集反硝化菌（基因豐度提升285倍）。  

3. 微環境突破：Unisense微電極首次證實生物膜內DO梯度分層是SND的核心機制（圖6）。  

4. 應用優勢：微纖維替代傳統增高不飽和區設計，降低水位提升能耗；PBS釋放COD可控（出水COD<50 mg/L）。