微电场构建湿地在矿山废水处理中的运行参数优化及协同机制研究

《Environmental Technology & Innovation》：Optimization of operational parameters and synergistic mechanisms for micro-electric field constructed wetlands in mine wastewater treatment

微电场增强人工湿地通过双电极分层结构（阳极悬浮介质+阴极锰砂）协同调控微生物EPS组成、填料多孔结构及电化学活性，显著提升CODMn、TN、TP及盐分去除效率，最佳电压4V

　　随着煤炭行业的快速发展，矿山废水的排放量逐年上升，然而现有的废水处理技术仍然存在诸多限制。这类废水主要来源于煤矿开采过程中地下水和地表水的渗入，以及岩石风化所产生的物质。其成分复杂，不仅含有高浓度的有机物和重金属，还富含氯化物、硫酸盐等盐分，远超常规污水的盐含量。高盐度的废水对生态环境具有严重威胁，直接排放会导致土壤盐碱化，破坏土壤结构和肥力，进而影响农作物的生长。因此，开发高效的矿山废水处理技术显得尤为重要。

传统的矿山废水处理方法包括物理化学方法和微生物处理方法。物理化学方法如混凝沉淀和过滤，虽然可以去除部分悬浮物和重金属，但在高盐度环境中效率有限，且运行和维护成本较高。微生物处理方法利用微生物代谢降解有机污染物，具有成本低、无二次污染等优势。然而，高盐度环境会抑制微生物活性，从而降低处理效率。人工湿地作为一种环保的处理技术，因其成本低、操作简单而受到广泛关注。但高盐度同样会对湿地植物和微生物群落结构产生不利影响，进而削弱其处理能力。

研究表明，应用电场可以优化湿地中的溶解氧和氧化还原电位等参数，为微生物创造更适宜的生存环境，从而增强其在高盐度压力下的耐受性和代谢活性，提升污染物吸附与降解的耦合效率。此外，电场还能改变湿地填料的物理形态和表面化学性质，优化其水力传导性和吸附性能，提高处理效率。以往的研究主要集中在电场对污染物去除效率或微生物群落结构的影响上，而本研究则对电化学刺激、微生物生态和填料物化变化之间的协同作用进行了系统分析，进一步拓展了电场增强湿地系统的应用前景。

为了深入探讨微电场对人工湿地处理效果的增强机制，本研究同时建立了三组电场增强湿地（E-CW）系统和三组传统湿地（CW）系统，进行对比实验。实验条件包括电压梯度（0–8?V）、盐度梯度（700–1600?mg/L）以及水力停留时间（HRT）梯度（1–4天）。研究创新性地提出了一种新型的双电极分层结构：阳极层填充悬浮介质，作为微生物富集载体；阴极层则填充二氧化锰砂，以提升氧化还原电位并促进湿地基质中的电子传递。这种将生物富集与电化学氧化还原过程相结合的多级协同模型在现有湿地研究中较为罕见。

研究发现，E-CW系统整体优于CW系统。在电压梯度为0–8?V的条件下，E-CW系统对化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）和盐度的去除率均高于CW系统，去除率在4?V时达到峰值。这表明，在适宜的电压范围内，电场刺激能够显著提升微生物的氧化还原活性和电子传递效率，从而提高污染物去除效果。此外，E-CW系统中，双电极层结构（R6）表现出最高的COD去除效率，达到90%。这主要归因于二氧化锰砂与悬浮填料之间的协同作用，这些填料在电场增强的湿地系统中显著提升了功能性细菌的代谢活性，进而提高了污染物去除效率。

研究还发现，污染物去除率随着HRT的增加而提升，但随着盐度的升高而下降。当HRT超过2天时，污染物去除变得更为彻底；而当进水盐度超过1200?mg/L时，去除率开始显著受到抑制。这表明，在高盐度条件下，HRT的延长有助于微生物和填料与废水充分接触，提高去除效率，但过高的盐度会抑制微生物活性，从而影响处理效果。因此，合理选择HRT和盐度对于优化电场增强湿地系统的运行至关重要。

微电场对微生物胞外聚合物（EPS）分泌模式具有调节作用。实验表明，电场刺激可以抑制蛋白质-多糖的形成，增强微生物结构的稳定性，并促进功能性微生物群落的富集。这说明，微电场不仅能够改善微生物的生存环境，还能通过改变EPS的组成和结构，提升其在高盐度环境中的适应能力。此外，微电场干预还能重塑填料的物理形态和表面化学性质。例如，填料的介孔体积和比表面积增加，材料从非晶态转变为晶态，同时表面功能基团的变化进一步促进了污染物的吸附和降解。这种综合性的研究视角揭示了生物-电化学-材料之间的耦合机制，为高盐度矿山废水处理提供了理论支持和工程应用价值。

为了验证上述结论，本研究采用了多种分析方法，包括水质参数监测、EPS成分分析、微生物多样性评估以及填料结构分析。水质参数包括化学需氧量（COD）、总氮（TN）、氨氮（NH??-N）、总磷（TP）、硝酸盐氮（NO??-N）以及无机盐浓度。实验中使用了改良的Lowry法和邻苯二甲酸氢钾法分别测定EPS中的蛋白质和多糖含量，同时通过三维荧光分析快速识别EPS中的不同荧光组分。填料的结构分析则通过BET和XRD等方法进行，以评估电场对填料物理性质和化学性质的影响。

研究结果表明，电场增强湿地系统在去除有机物、氮和磷方面表现出显著优势。在不同电压条件下，E-CW系统的COD去除率呈现出先升高后降低的趋势，最高去除率出现在3?V时，比传统湿地高出约22%。同时，TN和TP的去除率在4?V和3?V时达到峰值，分别达到68%和67%。这说明，在适当电压范围内，电场刺激能够优化微生物的代谢活动，提高污染物去除效率。此外，电场还能促进EPS成分的变化，降低蛋白质-多糖的比例，形成更加紧密和导电的EPS网络，从而增强微生物群落的稳定性与吸附能力。

盐度对污染物去除的影响也十分显著。当盐度超过1200?mg/L时，污染物去除率开始下降。这可能是由于高盐度环境下，阴离子如氯离子和硫酸根离子与磷酸根离子竞争吸附位点，从而影响磷的去除。同时，高盐度会抑制微生物活性，改变EPS的蛋白质构型，降低其吸附能力。此外，高盐度还会对植物根系造成压力，使其将更多能量用于渗透调节，从而影响其对盐分的去除能力。因此，在设计电场增强湿地系统时，需综合考虑盐度和HRT的相互作用，以确保系统的稳定运行和高效处理。

在填料结构分析方面，研究发现电场对填料的物理和化学性质产生了显著影响。例如，二氧化锰砂在电场作用下，其氧化还原状态发生了变化，Mn(IV)向Mn(II)转变，同时Fe(III)向Fe(II)转变，这些变化促进了填料表面的活性位点生成，从而支持微生物的脱氮和磷沉淀过程。此外，悬浮填料在电场作用下形成了更多的介孔结构，比表面积增加，这有助于提高其吸附能力。XPS分析进一步揭示了填料表面功能基团的变化，如氧结合能的增加，表明填料的表面亲水性提高，有利于微生物附着和污染物去除。

研究还发现，电场能够改变EPS的组成，降低蛋白质和多糖的含量，促进微生物形成更紧密的胞外聚合物网络，从而提高其结构稳定性和吸附能力。这种变化不仅增强了微生物的耐盐能力，还提高了其在高盐度环境下的代谢活性。此外，三维荧光分析表明，EPS中出现了更多的类腐殖酸物质，这些物质可以作为电子穿梭体，加速微生物与电极界面之间的电子传递过程，从而提升整体的电化学活性。

综上所述，本研究通过建立三组电场增强湿地系统和三组传统湿地系统，系统分析了微电场对污染物去除效率的增强机制。研究发现，E-CW系统在去除COD、TN、TP和盐度方面均优于CW系统，尤其是在4?V时表现出最佳的处理效果。此外，研究还揭示了盐度和HRT对系统性能的显著影响，以及电场对微生物群落结构和EPS成分的调节作用。这些发现为高盐度矿山废水处理提供了理论支持和工程应用价值，同时也为开发下一代生物电化学湿地技术奠定了科学基础。