微生物电化学强化人工湿地对苯并三唑类和羟基苯并噻唑类污染物的高效去除机制研究

为解决人工湿地(CWs)在污水处理中存在的氧供应不足和占地面积大等问题，研究人员创新性地将微生物电化学系统(MES)与传统人工湿地结合，构建了CW-MFC(微生物燃料电池)和CW-MEC(微生物电解池)系统。通过对比三种系统在不同有机负荷率(OLR 27-92 g COD m?2 d?1)下的处理效能，发现CW-MES技术对COD、TSS和NH4-N的去除率分别达82%、95%和84%，对苯并三唑类(BTRs)和羟基苯并噻唑(OHBT)的去除率超过87±8%，显著优于传统CW系统。该研究为提升人工湿地处理效能、实现污水回用(Class A)提供了创新解决方案。

　　

随着全球水资源短缺问题日益严峻，人工湿地(CWs)作为一种绿色可持续的污水处理技术备受关注。然而传统CW系统存在两个致命缺陷：缺氧区域限制了污染物降解效率，庞大的占地面积制约了其在城市地区的应用。更棘手的是，污水中日益增多的有机微污染物(OMPs)，如广泛用于工业生产的苯并三唑类(BTRs)和苯并噻唑类(BTHs)，在传统CW中难以有效去除。这些物质虽然浓度仅为ng/L~μg/L级，但具有生物累积性和潜在生态风险，给水环境安全带来严峻挑战。

针对这一系列问题，希腊爱琴大学(University of the Aegean)环境系的研究团队开创性地将微生物电化学系统(Microbial Electrochemical Systems, MES)与人工湿地耦合，设计出CW-MFC(微生物燃料电池)和CW-MEC(微生物电解池)新型处理系统。通过为期一年的对比实验，研究人员发现CW-MES技术不仅能突破传统CW的处理瓶颈，对难降解的BTRs和OHBT去除率更可稳定在87%以上。这项突破性成果发表在《Journal of Water Process Engineering》上，为发展下一代高效人工湿地技术提供了重要理论依据和实践方案。

研究团队采用三种平行运行的垂直流人工湿地系统：CW-MFC(自发电模式)、CW-MEC(外接1.9V电压)和传统CW对照系统。系统以真实生活污水为处理对象，填充颗粒活性炭(GAC)作为电极基质，种植黄菖蒲(Iris pseudacorus)强化处理效果。通过四阶段实验(OLR 27-92 g COD m^?2 d^?1)，采用HPLC-DAD分析BTRs和OHBT的去除效率，同时监测COD、TSS、氮磷等常规指标，并计算CW-MFC的产电性能。

TSS和COD去除
在最高负荷阶段(Phase D)，传统CW因生物堵塞导致TSS去除率骤降至70±5%，而CW-MES系统仍保持>90%的高效去除。COD去除方面，CW-MFC和CW-MEC在76 g COD m^?2 d^?1负荷下分别实现82%和84%去除率，显著优于传统CW的65%。研究表明，电活性生物膜(如Geobacter spp.)通过增强胞外电子传递，有效缓解了填料堵塞问题。

氮磷去除
CW-MEC在18 g NH₄-N m^?2 d^?1负荷下实现84±12%的氨氮去除率，优于CW-MFC(61±14%)。这归因于外加电压促进了阴极区的自养反硝化过程。但所有系统对总磷(TP)的去除均不理想，表明CW-MES技术对磷去除无明显强化作用。

BTRs和OHBT去除
传统CW对目标微污染物的去除呈现较大波动(36±14%~80±17%)，且完全不能去除xylytriazole(XTR)。而CW-MES系统对所有目标物去除率均>87±8%，且不受OLR变化影响。GAC基质的强吸附能力和电活性菌群的生物降解协同作用是实现高效去除的关键。

系统性能评估
CW-MEC在191 L m^?2 d^?1水力负荷下仍能满足欧盟2020/741法规Class A回用水标准，而传统CW仅能达到Class B标准。CW-MFC最大功率密度为0.15 mW m^?2，库伦效率1.17%，显示出能量回收潜力。

这项研究证实，CW-MES技术通过电活性生物膜与导电基质的协同作用，成功突破了传统人工湿地的技术瓶颈。其创新价值主要体现在三方面：一是将处理负荷提升2-3倍，大幅减少占地面积；二是实现对BTRs等难降解污染物的稳定去除；三是为污水处理的"能源中和"提供新思路。该技术特别适用于土地资源紧张地区的生活污水和工业废水处理，为可持续水管理提供了重要技术支撑。未来研究可进一步优化电极材料、探索微污染物降解途径，并开展中试规模验证，推动该技术向工程化应用迈进。