水作為生命和生態系統的寶貴資源，對社會的可持續發展具有重要意義。CWs自1960年代在德國提出以來，以其運行效果穩定、能耗低、美觀等優點被廣泛應用于污水深度處理。CWs可以在相對可控的環境中模擬自然過程，實現對廢水中各種污染物（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，氨氧化細菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化細菌(NOB)依次實現硝化作用。在氧氣存在的情況下，氨氧化細菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化細菌(NOB)依次實現硝化作用。在傳統的CWs中，進水的攜氧能力、大氣復氧和植物根部的氧釋放對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.因此，迫切需要尋找一種經濟高效的方法來實現CWs中DO的補充。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中為硝化作用創造好氧環境，并且能耗低。磷是一種營養物質，在生物體的生物學中起著至關重要的作用。由于相關的公共衛生和水體富營養化問題，當過量的有機磷被釋放到環境中時，磷就變成了一個棘手的問題。

本文針對常規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，并對其機理進行了深入探討。構建部分不飽和CW與Fe-C組合，實現同時高效去除低碳廢水中的化學需氧量(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境下Fe-C組合促進反硝化過程的機理結構、基材表面特性和沿途的氮轉化；通過磷形態和分布分析，闡明Fe-C結合促進除磷的機理。

Unisense微電極研究系統的應用

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

實驗結果

結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%。對于Fe-C組合，Fe而不是C，應該是去除硝酸鹽(NO3–-N)的電子供體。此外，Fe-C組合周圍微環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移過程，保證了以較少的Fe用量（僅60%）去除氮。v/v)。大量Fe2+和Fe3+由Fe產生，生物炭為細菌粘附和Fe陽離子和磷酸鹽（P）的共沉淀提供了大表面。添加Fe-C后，Fe、Ca、Al-P和P org的形成增強，導致總磷(TP)去除率高達98%。生物炭的進口降低了鐵的用量及其對鳶尾的毒性。因此，與Fe相比，Fe-C組合在CWs中是一種高效、環保的功能基質。

圖1、CWs安裝示意圖。使用聚甲基丙烯酸酯材料構建了四個體積為32 L（長×寬×高=20 cm×20 cm×80 cm）的實驗室規模VSFCW。在每個CW的中間設置一個平面板來引導水流方向（圖1）。控制CW（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CW填充有基礎基板(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、整個實驗期間不同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。(c)微電極系統測量基板周圍微環境的示意圖。(d)DO濃度和(e)CW中底物周圍的ORP分布。

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

圖5、采用XRD、XPS和SEM對CW操作后的基板進行表征，以探索不同基板對污染物去除增強的機制。(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）為功能基質填充的部分不飽和CWs，并從基質周圍微環境特性等方面深入分析了其去除污染物的機理，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的補充，促進NH4+-N的氧化，為后續的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，Fe-C與Fe相比表現出很多優勢。Fe-C組合需要較少的Fe用量，即可達到同等的凈水效果由于生物炭的電子導電性增強。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，附著在Fe-C表面的TP比H2O-P更穩定。由于Fe用量減少，Fe-C對植物的毒性較小。因此，Fe-C填充的部分不飽和CW比Fe填充的CW具有更高的放大應用潛力。此外，Fe-C有助于在CWs中去除氮和磷的生物和物理化學分析對于了解鐵和生物炭在其他環境生物系統中的行為具有啟發意義。