锰基复合垂直人工湿地通过优化氧化还原环境协同增强废水脱氮与温室气体减排的机制研究

《Bioresource Technology》：Synergistic enhancement of nitrogen removal and greenhouse gas reduction in manganese-based integrated vertical constructed wetland for wastewater treatment through improved redox environment

本研究发现锰氧化物（MnOx）与间歇曝气（A-IVCW）模式的协同作用可显著提升人工湿地（CWs）的氧化还原环境（ORP），通过增强锰循环与氮转化的微生物关联机制，使高铵氮废水处理中总氮（TN）去除率提升16.6-45.2%，温室气体（GHGs）排放量降低37.0-48.1%。该研究为城镇污水处理的低碳化转型提供了创新性技术路径。

　　

Highlight

本研究的创新点在于揭示了锰基复合垂直人工湿地（IVCW）系统通过优化氧化还原环境（ORP）实现脱氮与温室气体（GHG）减排的协同增强机制。间歇曝气（A-IVCW）模式创造的多样化氧化还原微环境显著促进了锰循环与氮转化过程的微生物关联，使系统在高效处理高铵氮（NH₄⁺-N）废水的同时，碳排放量较连续流（C-IVCW）和间歇流（I-IVCW）系统降低37.0-48.1%。

实验系统配置

三种采用不同供氧策略的实验室规模IVCW系统（连续流C-IVCW、间歇流I-IVCW和间歇曝气A-IVCW）在山东师范大学建立。每个系统由两个相同的湿地单元（CW-F和CW-B）组成，尺寸为20×20×50厘米（长×宽×高）。

污染物去除性能

系统在42天启动期后进入稳定运行阶段。I-IVCW和A-IVCW系统的出水化学需氧量（COD）浓度分别比C-IVCW系统低66.7-80.2%，这主要归功于CW-B单元的好氧条件促进了有机物降解。在脱氮方面，A-IVCW系统表现出最优异的性能，其对铵氮（NH₄⁺-N）和总氮（TN）的去除效率最高，这得益于其创造的交替好氧-缺氧环境同时促进了硝化和反硝化过程。

结论

本研究表明，通过额外溶解氧（DO）供应优化锰基人工湿地（CWs）的氧化还原环境（ORP），可同步增强污染物去除能力和减少温室气体（GHG）排放。其中，间歇曝气（A-IVCW）系统比间歇流（I-IVCW）系统更有效地优化了ORP，增强了MnO_x通过微生物与锰循环效率和氮转化过程的关联所发挥的功能性能，从而相应地抵消了额外能耗的负面影响。这项研究为将锰基IVCW系统推广为处理高氮负荷废水的低碳策略提供了理论依据和实践支持。