水作為生命和生態(tài)系統(tǒng)的寶貴資源，對(duì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。CWs自1960年代在德國(guó)提出以來(lái)，以其運(yùn)行效果穩(wěn)定、能耗低、美觀等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于污水深度處理。CWs可以在相對(duì)可控的環(huán)境中模擬自然過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水中各種污染物（如NO3–-N、NH4+-N、NO2–-N、磷、COD）的高效去除。大量研究表明，微生物代謝的硝化反硝化是水煤漿脫氮的主要途徑。在氧氣存在的情況下，氨氧化細(xì)菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(NOB)依次實(shí)現(xiàn)硝化作用。在氧氣存在的情況下，氨氧化細(xì)菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(NOB)依次實(shí)現(xiàn)硝化作用。在傳統(tǒng)的CWs中，進(jìn)水的攜氧能力、大氣復(fù)氧和植物根部的氧釋放對(duì)生物代謝的氧合效率較低，而曝氣等人工增氧方法通常與高能耗相關(guān).因此，迫切需要尋找一種經(jīng)濟(jì)高效的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)CWs中DO的補(bǔ)充。典型的不飽和垂直潛流人工濕地（VSFCWs）是一種有效的替代方案，可以在CWs中為硝化作用創(chuàng)造好氧環(huán)境，并且能耗低。磷是一種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在生物體的生物學(xué)中起著至關(guān)重要的作用。由于相關(guān)的公共衛(wèi)生和水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題，當(dāng)過(guò)量的有機(jī)磷被釋放到環(huán)境中時(shí)，磷就變成了一個(gè)棘手的問(wèn)題。

本文針對(duì)常規(guī)污染物去除提出了一種新型的部分不飽和CW填充Fe-C基質(zhì)，并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了深入探討。構(gòu)建部分不飽和CW與Fe-C組合，實(shí)現(xiàn)同時(shí)高效去除低碳廢水中的化學(xué)需氧量(COD)、NH 4+-N、NO 3--N和TP。/N比。從理化條件、微生物群落等方面研究缺氧環(huán)境下Fe-C組合促進(jìn)反硝化過(guò)程的機(jī)理結(jié)構(gòu)、基材表面特性和沿途的氮轉(zhuǎn)化；通過(guò)磷形態(tài)和分布分析，闡明Fe-C結(jié)合促進(jìn)除磷的機(jī)理。

Unisense微電極研究系統(tǒng)的應(yīng)用

使用微電極研究系統(tǒng)（Unisense，Denmark）表征了基板(CW填充)周圍微環(huán)境中的DO含量和ORP。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明部分不飽和段顯著提高了NH4+-N從25.1±0.3 mg/L到<10 mg/L。與傳統(tǒng)的CW相比，添加Fe和Fe-C組合的總氮去除率分別為76.1±0.6%和86.5±1.7%。對(duì)于Fe-C組合，F(xiàn)e而不是C，應(yīng)該是去除硝酸鹽(NO3–-N)的電子供體。此外，F(xiàn)e-C組合周圍微環(huán)境中的氧化還原電位（ORP）低于周圍的Fe，這證明生物炭在Fe釋放電子后加速了轉(zhuǎn)移過(guò)程，保證了以較少的Fe用量（僅60%）去除氮。v/v)。大量Fe2+和Fe3+由Fe產(chǎn)生，生物炭為細(xì)菌粘附和Fe陽(yáng)離子和磷酸鹽（P）的共沉淀提供了大表面。添加Fe-C后，F(xiàn)e、Ca、Al-P和P org的形成增強(qiáng)，導(dǎo)致總磷(TP)去除率高達(dá)98%。生物炭的進(jìn)口降低了鐵的用量及其對(duì)鳶尾的毒性。因此，與Fe相比，F(xiàn)e-C組合在CWs中是一種高效、環(huán)保的功能基質(zhì)。

圖1、CWs安裝示意圖。使用聚甲基丙烯酸酯材料構(gòu)建了四個(gè)體積為32 L（長(zhǎng)×寬×高=20 cm×20 cm×80 cm）的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模VSFCW。在每個(gè)CW的中間設(shè)置一個(gè)平面板來(lái)引導(dǎo)水流方向（圖1）?？刂艭W（命名為CW B)填充有基底（直徑在5～10 mm之間的石英砂）。其他三個(gè)CW填充有基礎(chǔ)基板(80%v/v)和各種功能基板(20%v/v)。功能底物分別為生物炭（CWC）、Fe（CWFe）以及生物炭（C）和Fe底物（CW Fe-C、12%Fe和8%C）的混合物。

圖2、整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間不同CWs的整體處理性能（a：NH4+-N，b：TN，c：NO3--N，d：TP，e：NO2--N和f：COD）。

圖3、CWB、CWC、CWFe和CWFe-C中(a)DO濃度和(b)ORP在CWs中沿廢水路徑的趨勢(shì)。(c)微電極系統(tǒng)測(cè)量基板周圍微環(huán)境的示意圖。(d)DO濃度和(e)CW中底物周圍的ORP分布。

圖4、四個(gè)CWs中與細(xì)菌功能基因和分類水平相關(guān)的信息。(a)基質(zhì)上微生物生物膜中總細(xì)菌(TB)、氨氧化細(xì)菌(AOB)、硝化細(xì)菌(NOB)和反硝化細(xì)菌(DNB)的FISH顯微照片(b)CW中發(fā)現(xiàn)的氮轉(zhuǎn)化基因豐度(CW Un表示不飽和區(qū)）。（c）門水平的微生物群落分布。

圖5、采用XRD、XPS和SEM對(duì)CW操作后的基板進(jìn)行表征，以探索不同基板對(duì)污染物去除增強(qiáng)的機(jī)制。(a,b)CW Fe-C中C襯底樣品的SEM圖像。(c)CW Fe-C中C基板樣品表面的元素分布。

結(jié)論與展望

由于氨氧化的溶解氧（DO）不足和用于反硝化的電子供體有限會(huì)抑制人工濕地（CW）的脫氮性能。本研究提出了以生物炭（C）和/或鐵屑（Fe）為功能基質(zhì)填充的部分不飽和CWs，并從基質(zhì)周圍微環(huán)境特性等方面深入分析了其去除污染物的機(jī)理，微生物功能、植物毒性等。研究表明加入不飽和段可以顯著改善CWs中DO的補(bǔ)充，促進(jìn)NH4+-N的氧化，為后續(xù)的SNAD提供條件。Fe和Fe-C作為功能性底物均能提高飽和段氮、磷的去除率。然而，F(xiàn)e-C與Fe相比表現(xiàn)出很多優(yōu)勢(shì)。Fe-C組合需要較少的Fe用量，即可達(dá)到同等的凈水效果由于生物炭的電子導(dǎo)電性增強(qiáng)。Fe-C表面反硝化菌種類更豐富，反硝化效率高于其他CWs。生物炭為Fe、Ca、Al-P的沉淀提供了豐富的附著位點(diǎn)，附著在Fe-C表面的TP比H2O-P更穩(wěn)定。由于Fe用量減少，F(xiàn)e-C對(duì)植物的毒性較小。因此，F(xiàn)e-C填充的部分不飽和CW比Fe填充的CW具有更高的放大應(yīng)用潛力。此外，F(xiàn)e-C有助于在CWs中去除氮和磷的生物和物理化學(xué)分析對(duì)于了解鐵和生物炭在其他環(huán)境生物系統(tǒng)中的行為具有啟發(fā)意義。