多级好氧/厌氧生态滤床在农村非点源污染控制中的应用：植物选择与运行性能

《Journal of Water Process Engineering》：Multistage oxic/anoxic ecological filter beds in rural non-point source pollution control: Plant selecting and operation performance

多阶段氧化/厌氧生态滤床系统提升农村非点源污染（COD、NH4+、TN、TP）去除效率，达61.4-77.42%，功能菌群（Flavobacterium等）与酶活性（AMO、NIR）驱动反硝化，系统兼具灵活设计及季节适应性。

　　本研究聚焦于农村非点源污染治理中的生态滤床系统，提出了一种多级好氧/缺氧生态滤床（MEFBs）设计，旨在解决传统生态滤床（EFBs）在氮去除效率和系统构建复杂性方面的不足。通过评估五种湿地植物在不同氨氮/硝酸盐氮（NH??-N/NO??-N）比例下的径向氧损失（ROL）和氮去除性能，研究团队筛选出最适合用于不同氧化还原环境的植物种类，并进一步优化了系统结构，使其在低温条件下仍能保持良好的污染物去除能力。

在研究中，五种湿地植物被选为评估对象，其中包括三种观赏植物和两种蔬菜。这些植物的科学名称、所属科属、生长形态以及生态类型在表格1中进行了详细分类。通过比较它们的ROL特性，研究人员发现不同植物对氧的释放能力存在显著差异。例如，水生植物 *Ipomoea aquatica*（水蕹菜）表现出最高的ROL单位鲜重值（0.98 μmol O?·g?1·h?1），而 *Canna indica*（美人蕉）的ROL单位鲜重值最低（0.06 μmol O?·g?1·h?1）。这种差异可能与植物的生物量和根系结构有关，同时也反映了它们在污染物去除过程中的不同作用。

研究团队进一步探讨了这些植物在不同氮形态（NH??-N和NO??-N）下的去除效率。结果显示，*C. indica* 在氨氮去除方面表现尤为突出，而 *Cyperus alternifolius*（香蒲）则更擅长硝酸盐氮的吸收。基于这一发现，研究人员将 *C. indica* 和 *C. alternifolius* 作为主要植物种类，分别用于好氧层（O-1、O-3、O-5），并在系统中插入了两个缺氧层（A-2、A-4），以增强系统的反硝化能力。这种多级设计不仅提高了氮去除效率，还增强了系统的灵活性和适应性，使其能够应对不同季节和不同水质条件下的污染物负荷变化。

通过对系统进行季节性监测，研究人员发现，在冬季到春季的转换过程中，系统的污染物去除效率呈现出明显的季节性变化。例如，化学需氧量（COD）、氨氮（NH??-N）、总氮（TN）和总磷（TP）的去除率分别在61.4%至68.7%、28.13%至75.81%、34.52%至77.42%以及35.32%至47.6%之间波动。在春季，系统表现出更优的处理性能，这可能与温度升高、微生物活性增强以及植物生长周期的自然变化有关。这一结果表明，MEFBs系统具有较强的季节适应性，能够在不同气候条件下维持较高的污染物去除效率。

此外，研究团队还通过酶活性测定和微生物分析，揭示了MEFBs系统中微生物群落的变化及其对氮转化过程的影响。在缺氧层（A-2）中，研究人员发现了一些功能性微生物的富集，如 *Flavobacterium*（黄杆菌属）、*Acinetobacter*（不动杆菌属）和 *Aquabacterium*（水杆菌属）。这些微生物在氨氧化酶（AMO）和亚硝酸盐还原酶（NIR）等关键酶的活性方面表现出较高的水平，从而促进了同步硝化和反硝化过程的进行。同步硝化和反硝化是提高氮去除效率的重要机制，它能够在同一反应器中实现硝化和反硝化的连续进行，从而减少系统对额外氧气的需求，提高整体处理效率。

研究团队指出，传统的EFBs系统在氮去除效率和结构设计方面存在一定的局限性。例如，目前的系统在总氮去除率上通常只能达到30%至40%，这与农村非点源污染治理的实际需求仍有差距。同时，系统的体积较大，给实际建设和维护带来了不便。因此，MEFBs系统的设计理念是通过模块化和多级配置，提高系统的处理能力和灵活性。这种设计不仅能够适应不同的环境条件，还能通过调整各层的植物种类和结构，实现对不同氮形态的有效去除。

在实际应用中，MEFBs系统具有诸多优势。首先，其模块化设计使得系统可以根据具体需求进行灵活配置，例如增加或减少好氧层和缺氧层的数量，以适应不同规模的污染源。其次，多级配置能够有效优化水体中的氧化还原条件，从而促进硝化和反硝化过程的协同进行。最后，该系统能够实现对多种污染物的综合去除，包括COD、氨氮、总氮和总磷，这对于改善农村地区的水环境质量具有重要意义。

植物选择是影响EFBs系统性能的关键因素之一。在处理农村非点源污染的过程中，氮形态往往会从氨氮向硝酸盐氮转变，这一过程称为硝化作用。因此，选择能够高效利用不同氮形态的植物种类至关重要。研究团队通过实验发现，某些植物在特定氮形态下表现出更高的去除效率，例如 *C. indica* 在氨氮去除方面表现最佳，而 *C. alternifolius* 则更擅长硝酸盐氮的吸收。基于这些结果，研究人员设计了多级系统，将高ROL能力的植物与高氮去除效率的植物相结合，从而实现对不同氮形态的高效处理。

同时，植物根系释放的氧气不仅影响了系统中的氧化还原环境，还对微生物群落的结构和功能产生了深远影响。研究团队指出，ROL能力较强的植物能够提供更多的氧气，从而支持好氧微生物的生长和活动，而ROL能力较弱的植物则可能在缺氧环境中发挥更重要的作用。这种差异使得植物在系统中扮演了不同的角色，从而促进了污染物的多途径去除。

在实验过程中，研究人员还发现，尽管某些植物的ROL能力较强，但它们的生物量也可能影响系统的整体性能。例如，*C. indica* 的ROL单位鲜重值较低，这可能与其较高的生物量有关。因此，在实际应用中，需要综合考虑植物的ROL能力和生物量，以优化系统的配置和运行参数。此外，系统中各层的植物种类选择也需要根据具体的污染物负荷和处理目标进行调整，以确保最佳的处理效果。

MEFBs系统的成功应用不仅依赖于植物的合理选择，还涉及到微生物群落的调控和优化。研究团队通过酶活性测定和微生物分析发现，某些功能性微生物的富集能够显著提高系统的氮去除效率。例如，在缺氧层（A-2）中，黄杆菌属、不动杆菌属和水杆菌属的微生物表现出较高的活性，这有助于促进氨氧化酶和亚硝酸盐还原酶的反应，从而提高系统的同步硝化和反硝化能力。这些微生物的存在不仅增强了系统的处理能力，还为未来的系统优化和微生物调控提供了理论依据。

研究团队还指出，现有的EFBs系统在模块化和适应性方面存在一定的不足，这限制了其在不同环境条件下的应用。因此，MEFBs系统的开发不仅关注植物的筛选，还强调系统的结构设计和运行管理。通过多级配置，系统能够在不同的季节和环境条件下保持稳定的处理性能，这为农村地区的非点源污染治理提供了一种更加灵活和可持续的解决方案。

此外，MEFBs系统还具有良好的生态兼容性和美观性。作为一种自然解决方案（NBS），生态滤床能够与周围环境融为一体，不仅减少了对传统污水处理设施的依赖，还为农村地区提供了生态景观。这种双重功能使得MEFBs系统在实际应用中具有更高的接受度和推广价值。同时，系统的低成本和低能耗也使其成为农村地区污水处理的理想选择。

在未来的应用中，MEFBs系统有望成为农村非点源污染治理的重要工具。通过结合植物筛选、微生物调控和结构优化，该系统能够实现对多种污染物的高效去除，同时适应不同的环境条件和季节变化。这种综合性的处理策略不仅提高了系统的处理能力，还为农村地区的生态可持续发展提供了新的思路和方法。

总的来说，MEFBs系统的研究为农村非点源污染治理提供了一种创新的解决方案。通过系统性评估植物的污染物去除能力和ROL特性，研究人员能够优化系统的结构设计，提高氮去除效率，并增强系统的适应性和灵活性。这一研究不仅填补了现有技术在植物筛选和系统设计方面的知识空白，还为未来的生态滤床技术发展和应用提供了重要的理论支持和实践指导。