【摘 要】
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人工湿地（Constructed Wetlands,CWs）作为一种新型生态型污水处理工艺,因其运行成本低、结构多样、效果稳定以及生态价值高等优点,在农村地区特别是非点源污染治理方面应用广泛。然而,冬季低温一直是影响CWs大规模应用的关键瓶颈问题之一。低温环境下,大多数污染物降解菌的活性和植物的光合作用会受到抑制,此外,低温条件可能会明显降低填料的吸附位点。目前,强化CWs低温运行性能的方法包括接
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人工湿地（Constructed Wetlands,CWs）作为一种新型生态型污水处理工艺,因其运行成本低、结构多样、效果稳定以及生态价值高等优点,在农村地区特别是非点源污染治理方面应用广泛。然而,冬季低温一直是影响CWs大规模应用的关键瓶颈问题之一。低温环境下,大多数污染物降解菌的活性和植物的光合作用会受到抑制,此外,低温条件可能会明显降低填料的吸附位点。目前,强化CWs低温运行性能的方法包括接种耐低温微生物、种植耐寒植物、添加植物秸秆或生物炭、控制热损失、控制运行条件等方法,但存在成本高、二次污染、实际应用难度大等问题。本研究基于微生物电化学技术（Microorganism Electrochemical Technology,MET）,以垂直潜流CWs为主体构建实验室规模的新型微生物电化学活性生物膜人工湿地（Novel Electrochemical Activity Biofilm Constructed Wetland,NEAB-CW）,研究低温环境对NEAB-CW去除污染物及系统产电能力的影响,通过分析反应器电势及微生物群落结构和多样性的变化,阐明NEAB-CW抵抗低温环境压力的机理。主要实验结论如下:（1）制备具有良好缓释氧性能的新型缓释氧填料。通过改进的聚羟基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoate,PHA）热融包埋过氧化钙（Calcium Peroxide,CaO2）的方法,制备缓释氧填料（Slow-released Oxygen Martials,SROM）。利用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope,SEM）、X射线衍射（X-ray Diffraction,XRD）和傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared,FT-IR）对SROM的结构和组成进行了表征,结果表明CaO2粉末均匀包裹在PHA中,并且主要成分仍然是CaO2。动态氧气释放装置模拟了SROM在水中的反应过程,结果表明SROM能够连续稳定地释放氧气至少120 d,并且始终保持球状。（2）明确NEAB-CW低温环境下强化CWs污水处理效果的可行性。在本研究中,以垂直潜流CWs为主要结构进行了实验室规模的NEAB-CW运行实验。通过在填料层中铺设不锈钢网管（Stainless Steel Mesh Tube,SSMT）构造导电层,当温度下降时,添加制备的SROM作为氧阴极结构,零价铁棒（Iron Rod,IR）作为金属阳极和电化学通气管（Microorganism Electrochemical Snorkel,MES）结构。实验结果表明,NEAB-CW在10-20℃范围内对COD、NH4+-N和TP的去除率比只铺设SSMT的对照组分别提高了1.52、1.68和3.95倍;在0-10℃范围内,分别提高了2.21、1.68和1.76倍,结果表明NEAB-CW能够有效降低温度与污染物去除率的相关性。（3）分析了NEAB-CW低温环境下的电化学性能。低温会抑制微生物活性,从而减少微生物间的电子传递,因此影响系统内部电化学性能。通过对NEAB-CW和对照组低温运行过程中的监测,NEAB-CW的日电势平均值在10-20℃范围内和0-10℃范围内阶段分别比单独添加IR对照和单独添加SROM对照提高了8.1%和16.1%,12.8%和17.4%,以及10.7%和33.5%。NEAB-CW的日电势值与温度呈显著负相关。电流密度结果显示在整个低温过程中,NEAB-CW在导电层中有更高的电流密度,NEAB-CW为电活性生物膜（Electrochemical Activity Biofilm,EAB）的形成创造了更合适的条件。电子传递速率结果表明在所有实验组的不同高度有不同的电子流向,而NEAB-CW导电层中的交替电子环境导致为系统中电子流动提供更好的条件。（4）阐明了NEAB-CW低温环境下强化CWs污水处理效果的机理。NEAB-CW通过横向和纵向电势差变化提高电子转移效率,在低温环境下刺激微生物从而提高微生物活性,而增强的微生物活性能够帮助系统产生高而稳定的电势和电子流密度,促使微生物膜转化为EAB。而EAB作为有机物氧化的催化剂,在消耗微生物生长的能量后,释放和转移电子,进一步促进低温环境下微生物新陈代谢。同时NEAB-CW拥有更丰富的微生物多样性,从而抵抗不利环境的影响。NEAB-CW中的耐冷杆菌（Psychrobacter）、不动杆菌（Acinetobacter）、假单胞菌（Pseudomonas）和梭形杆菌（Fusibacter）丰度更高,这一结果能够解释NEAB-CW在低温环境下强化效果。
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