Fe-C微电解基质部分非饱和人工湿地高效脱氮除磷及其机理

水作为生命和生态系统的宝贵资源，对社会的可持续发展具有重要意义。CWs自1960年代在德国提出以来，以其运行效果稳定、能耗低、美观等优点被广泛应用于污水深度处理。CWs可以在相对可控的环境中模拟自然过程，实现对废水中各种污染物（如NO3–-N、NH4+-N、NO2–-N、磷、COD）的高效去除。大量研究表明，微生物代谢的硝化反硝化是水煤浆脱氮的主要途径。在氧气存在的情况下，氨氧化细菌(AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)依次实现硝化作用。在氧气存在的情况下，氨氧化细菌(AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)依次实现硝化作用。在传统的CWs中，进水的携氧能力、大气复氧和植物根部的氧释放对生物代谢的氧合效率较低，而曝气等人工增氧方法通常与高能耗相关.因此，迫切需要寻找一种经济高效的方法来实现CWs中DO的补充。典型的不饱和垂直潜流人工湿地（VSFCWs）是一种有效的替代方案，可以在CWs中为硝化作用创造好氧环境，并且能耗低。磷是一种营养物质，在生物体的生物学中起着至关重要的作用。由于相关的公共卫生和水体富营养化问题，当过量的有机磷被释放到环境中时，磷就变成了一个棘手的问题。

本文针对常规污染物去除提出了一种新型的部分不饱和CW填充Fe-C基质，并对其机理进行了深入探讨。构建部分不饱和CW与Fe-C组合，实现同时高效去除低碳废水中的化学需氧量(COD)、NH 4+-N、NO 3--N和TP。/N比。从理化条件、微生物群落等方面研究缺氧环境下Fe-C组合促进反硝化过程的机理结构、基材表面特性和沿途的氮转化；通过磷形态和分布分析，阐明Fe-C结合促进除磷的机理。

Unisense微电极研究系统的应用

使用微电极研究系统（Unisense，Denmark）表征了基板(CW填充)周围微环境中的DO含量和ORP。

实验结果

结果表明部分不饱和段显著提高了NH4+-N从25.1±0.3 mg/L到<10 mg/L。与传统的CW相比，添加Fe和Fe-C组合的总氮去除率分别为76.1±0.6%和86.5±1.7%。对于Fe-C组合，Fe而不是C，应该是去除硝酸盐(NO3–-N)的电子供体。此外，Fe-C组合周围微环境中的氧化还原电位（ORP）低于周围的Fe，这证明生物炭在Fe释放电子后加速了转移过程，保证了以较少的Fe用量（仅60%）去除氮。v/v)。大量Fe2+和Fe3+由Fe产生，生物炭为细菌粘附和Fe阳离子和磷酸盐（P）的共沉淀提供了大表面。添加Fe-C后，Fe、Ca、Al-P和P org的形成增强，导致总磷(TP)去除率高达98%。生物炭的进口降低了铁的用量及其对鸢尾的毒性。因此，与Fe相比，Fe-C组合在CWs中是一种高效、环保的功能基质。

图1、CWs安装示意图。使用聚甲基丙烯酸酯材料构建了四个体积为32 L（长×宽×高=20 cm×20 cm×80 cm）的实验室规模VSFCW。在每个CW的中间设置一个平面板来引导水流方向（图1）。控制CW（命名为CW B)填充有基底（直径在5～10 mm之间的石英砂）。其他三个CW填充有基础基板(80%v/v)和各种功能基板(20%v/v)。功能底物分别为生物炭（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。

图2、整个实验期间不同CWs的整体处理性能（a：NH4+-N，b：TN，c：NO3--N，d：TP，e：NO2--N和f：COD）。

图3、CWB、CWC、CWFe和CWFe-C中(a)DO浓度和(b)ORP在CWs中沿废水路径的趋势。(c)微电极系统测量基板周围微环境的示意图。(d)DO浓度和(e)CW中底物周围的ORP分布。

图4、四个CWs中与细菌功能基因和分类水平相关的信息。(a)基质上微生物生物膜中总细菌(TB)、氨氧化细菌(AOB)、硝化细菌(NOB)和反硝化细菌(DNB)的FISH显微照片(b)CW中发现的氮转化基因丰度(CW Un表示不饱和区）。（c）门水平的微生物群落分布。

图5、采用XRD、XPS和SEM对CW操作后的基板进行表征，以探索不同基板对污染物去除增强的机制。(a,b)CW Fe-C中C衬底样品的SEM图像。(c)CW Fe-C中C基板样品表面的元素分布。

结论与展望

由于氨氧化的溶解氧（DO）不足和用于反硝化的电子供体有限会抑制人工湿地（CW）的脱氮性能。本研究提出了以生物炭（C）和/或铁屑（Fe）为功能基质填充的部分不饱和CWs，并从基质周围微环境特性等方面深入分析了其去除污染物的机理，微生物功能、植物毒性等。研究表明加入不饱和段可以显着改善CWs中DO的补充，促进NH4+-N的氧化，为后续的SNAD提供条件。Fe和Fe-C作为功能性底物均能提高饱和段氮、磷的去除率。然而，Fe-C与Fe相比表现出很多优势。Fe-C组合需要较少的Fe用量，即可达到同等的净水效果由于生物炭的电子导电性增强。Fe-C表面反硝化菌种类更丰富，反硝化效率高于其他CWs。生物炭为Fe、Ca、Al-P的沉淀提供了丰富的附着位点，附着在Fe-C表面的TP比H2O-P更稳定。由于Fe用量减少，Fe-C对植物的毒性较小。因此，Fe-C填充的部分不饱和CW比Fe填充的CW具有更高的放大应用潜力。此外，Fe-C有助于在CWs中去除氮和磷的生物和物理化学分析对于了解铁和生物炭在其他环境生物系统中的行为具有启发意义。

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