【摘 要】
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随着国家与社会对水资源节约与保护意识的增强,污水不再局限于达标排放,而是需要满足中水回用和生态补水的需求。污水的再生与回用能够有效解决我国长期存在的水资源短缺问题,同时能减轻下游水体污染、保护生态环境。人工湿地是一种“绿色”并且亲近自然的处理技术,具有建设成本低、运行稳定、维护简单等优点。然而,传统的人工湿地系统对营养元素（氮、磷）没有很好的去除效果,并且不能充分发挥基质填料的功能。此外,污水厂二
【基金项目】
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国家重点研发计划《污水低碳高效处理与同步能源回收》,项目编号为 2016YFC0401101-1；
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随着国家与社会对水资源节约与保护意识的增强,污水不再局限于达标排放,而是需要满足中水回用和生态补水的需求。污水的再生与回用能够有效解决我国长期存在的水资源短缺问题,同时能减轻下游水体污染、保护生态环境。人工湿地是一种“绿色”并且亲近自然的处理技术,具有建设成本低、运行稳定、维护简单等优点。然而,传统的人工湿地系统对营养元素（氮、磷）没有很好的去除效果,并且不能充分发挥基质填料的功能。此外,污水厂二级出水中,往往存在着低C/N比,硝酸盐浓度高的问题。通过功能基质强化自养反硝化能有效解决此类问题。基于此,本研究在传统垂直流人工湿地中引入海绵铁与生物炭复合基质,通过长期运行评估系统对污水厂低C/N二级出水的脱氮除磷处理效能及稳定性,并重点探究该强化型人工湿地系统中氮的迁移转化规律及温室气体排放情况。综合不同形态氮的时空变化及微生物群落结构的组成解析脱氮路径,并计算人工湿地系统内部各组成对脱氮的贡献。主要结论如下:构建了功能基质层分别为生物炭、海绵铁生物炭、海绵铁砾石的人工湿地系统,并以传统砾石构建的人工湿地系统作为对照,比较其处理城镇生活污水处理厂二级出水深度脱氮除磷的性能。在C/N=4的条件下,海绵铁生物炭人工湿地系统对TP和TN的平均去除率分别为93.8%、77.3%,相较于传统砾石人工湿地系统提升了2.87倍和1.63倍。在处理效率提高的同时产生了较高的CH4排放（铁炭系统:1.45 mg/m~2/h、砾石系统:0.09 mg/m~2/h）,但显著降低了N2O的排放（铁炭系统:0.01 mg/m~2/h、砾石系统:0.97 mg/m~2/h）。当降低C/N为2时,海绵铁生物炭人工湿地系统对TP和TN的平均去除率分别为92.7%、77.9%,降低C/N前后去除效率并没有显著变化。随着C/N的降低,海绵铁生物炭系统的CH4排放降低了56.6%（0.63 mg/m~2/h）,N2O排放维持原有水平。相比之下,砾石系统由于反硝化能力不足导致NO3--N的积累,使得TN去除效率仅3.5%,TP去除效率仅为58.5%。整个运行阶段,海绵铁生物炭系统在保持高效氮磷去除的同时,其全球升温潜能值（GWP）仅为砾石系统的30%。海绵铁的添加可以有效弥补系统有机碳源不足反硝化效率低的问题,但其构造的低DO和ORP环境不利于NH4+-N的去除,铁炭系统和铁砾石系统出水NH4+-N均维持在2 mg/L左右。海绵铁砾石人工湿地系统由于溶解氧不足,自身体系中无法形成足够的铁氧化物,因此通过共沉作用强化TP的去除效能仅为62.8%。相比之下,海绵铁生物炭系统可以通过电解作用促进铁氧化物的产生,从而强化TP的去除（93.8%）。将各功能基质层由上到下每隔20 cm分为上、中、下三层,并考查周期内污染物的时空变化规律。研究发现,海绵铁生物炭系统各层均在4 h内就能将TP浓度降低至0.05 mg/L以下（进水0.5 mg/L）,24 h后各层TN浓度均低于2.5 mg/L（进水12 mg/L）。海绵铁的添加可以快速降低进水DO浓度,从而有利于反硝化的进行。值得注意的是,海绵铁的添加会使得系统中p H快速升高,进水4 h后p H升高到9-10,对植物和微生物的代谢造成一定的抑制,然而生物炭的添加可以有效减缓p H的上升,使得中下层基质p H稳定在8-9之间。微生物结果显示,添加海绵铁会使得系统微生物群落结构发生显著改变,系统中微生物丰度和群落多样性下降,但与脱氮过程相关的微生物如陶厄氏菌属（Thauera）、乔治菌属（Georgenia）等相对丰度显著提升,海绵铁生物炭系统中Thauera、Georgenia的相对丰度分别为2.74%和8.75%,而在砾石系统中几乎没有检测到两种菌属。此外,泰斯拉球菌属（Tessaracoccus）在海绵铁生物炭与海绵铁砾石系统占有最大的比例,相对丰度分别为47.40%及29.84%,该菌属可能与铁还原有关,表明系统中存在着铁氧化-还原的循环过程,铁的循环对系统脱氮性能意义重大。氮元素平衡分析显示,在海绵铁生物炭系统中,植物吸收和基质填料吸附仅占总氮去除的0.9%和2.7%,超过95%的氮是通过反硝化作用去除的。
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