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態碳源添加優化部分非飽和人工濕地污染物去除  

來源：Science of the Total Environment, Volume 752, 2021, Article 141919

《整體環境科學》第752卷，2021年，文章編號141919

 

摘要內容：  

研究通過添加親水棉微纖維至非飽和區延長水力停留時間（HRT），并添加聚丁二酸丁二醇酯（PBS）至飽和區作為緩釋碳源，優化部分非飽和人工濕地（CW）的污染物去除。實驗表明：微纖維顯著提升氧氣傳遞效率，使氨氧化效率達97.0%；PBS將總氮（TN）去除率從20.6±4.0%提升至90.4±2.7%。兩者聯用實現全程高效脫氮，并首次通過微電極檢測生物膜內溶解氧（DO）梯度，證實同步硝化反硝化（SND）過程。  

 

研究目的：  

1 提升非飽和區氧氣傳遞效率以強化硝化作用  

2 解決飽和區碳源不足導致的脫氮效率低下問題  

3 驗證微纖維與PBS聯用對全程脫氮的協同增效機制  

 

研究思路：  

1 系統構建：設置四組模擬人工濕地（SCW），分別為對照組、微纖維添加組（F-SCW）、PBS添加組（P-SCW）、微纖維+PBS組（FP-SCW）（圖1）  

 

2 材料添加：非飽和區混合微纖維與礫石（體積比1:4），飽和區添加3% PBS顆粒  

3 水質監測：沿水流路徑測定DO、COD、NH??-N、NO??-N、TN（圖2-4）  

 

 

 

4 微生物分析：qPCR定量功能基因（amoA、narG/nirS/nirK/nosZ），高通量測序解析菌群結構（表2、圖5）  

 

 

5 生物膜微環境：Unisense微電極檢測生物膜DO梯度（圖6）  

 

測量數據及來源：  

1 水質凈化效率（圖2）：  

   ? F-SCW與FP-SCW的NH??-N去除率超97%（對照組81.2%）  

 

   ? P-SCW與FP-SCW的TN去除率達90%以上（對照組20.6%）  

 

2 DO沿程變化（圖3）：  

   ? 微纖維組（F-SCW）30cm處DO達3.39mg/L（對照組0.92mg/L）  

 

3 氮轉化路徑（圖4）：  

   ? PBS組飽和區NO??-N顯著降低（FP-SCW 50-90cm處去除率94.8%）  

 

4 微生物豐度（表2）：  

   ? FP-SCW飽和區反硝化菌豐度（1.39×1011 copies/g）為對照組285倍  

 

5 菌群結構（圖5）：  

   ? 微纖維促進梭菌（Clostridia）增長，抑制硝化螺菌（Nitrospira）  

 

6 生物膜DO梯度（圖6）：  

   ? 生物膜550μm深度處DO=2mg/L（硝化臨界值），840μm處DO=0.11mg/L（反硝化區）  

 

數據研究意義：  

1 DO與污染物沿程變化（圖3-4）：揭示微纖維延長HRT提升氧傳遞效率，PBS緩解碳限制增強反硝化  

2 功能基因定量（表2）：證實PBS富集反硝化菌（narG/nirS/nosZ基因豐度激增），解釋TN去除率提升機制  

3 菌群結構（圖5）：闡明材料添加驅動菌群演替（FP-SCW飽和區β-變形菌占比50.15%）  

4 氧利用率（表1）：量化微纖維使氧利用率達189 g/m3/d（對照組176 g/m3/d）  

 

結論：  

1 微纖維作用：通過延長HRT和增加氣-液-生物膜接觸，使氨氧化效率達97.0%，降低非飽和區高度需求  

2 PBS作用：作為緩釋碳源解決飽和區C/N比不足，反硝化效率提升至90.4%  

3 協同機制：微纖維與PBS聯用實現全程脫氮（FP-SCW的TN去除率94.8%）  

4 生物膜微環境：首次證實生物膜內存在DO梯度（550μm好氧區→840μm缺氧區），為SND提供直接證據  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：  

研究中采用Unisense OX-25氧微電極，其創新價值在于：  

1 微尺度原位解析：以20μm步進精度測定生物膜內部DO梯度（圖6），首次在人工濕地中直接觀測到550μm深度處DO=2mg/L（硝化作用臨界值）和840μm處DO=0.11mg/L（反硝化適宜條件），證實SND的空間分層機制  

2 量化活性層厚度：明確生物膜活性層厚度達840μm，解釋微纖維添加后微生物豐度提升（表2）的微環境基礎  

3 修正傳統認知：突破"人工濕地生物膜薄且均質"的假設，揭示DO梯度驅動的氮轉化分區規律  

4 技術應用價值：為優化人工濕地填料設計和氧傳遞模型提供微觀證據，推動基于生物膜分區的精準調控