综述：先进生物技术强化人工湿地对城市污水碳中和处理的综合评述：增强脱氮与减少温室气体排放

本综述系统探讨了人工湿地（CWs）结合自养反硝化（SAD/PAD）与厌氧氨氧化（anammox）等低碳生物技术，在城市污水处理中实现高效脱氮并显著降低温室气体（如N2O、CH4）排放的潜力，为碳中和目标下的可持续水处理提供创新路径。

　　

Conventional wastewater treatment process

传统污水处理厂（WWTPs）在处理城市污水过程中会显著排放温室气体（GHG），主要包括二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）。CO₂主要来源于有机物的好氧生物降解过程，CH₄产生于厌氧环境如污泥厌氧消化（AD）环节，而N₂O则主要源自含氮污染物的生物处理过程。传统异养反硝化（HD）工艺需消耗大量有机碳源（如甲醇、乙醇、乙酸钠）作为电子供体，不仅增加处理成本，还可能导致剩余污泥量增加和氮氧化物（NO_x）积累，进而推高N₂O排放风险。此外，低碳氮比（C/N）污水因外源碳源不足而制约脱氮效率，凸显现有工艺在可持续性与碳中和目标下的局限性。

Typical types and applications of CWs

人工湿地（CWs）作为一种生态污水处理技术，凭借其低运营成本、低污泥产量及景观价值受到广泛关注。其基本结构由植物、基质和表层微生物组成，通过协同作用实现水质净化。根据水流方向，CWs可分为表面流人工湿地（FWSCWs）和潜流人工湿地（SFWs），后者进一步划分为水平潜流（HSSF）和垂直潜流（VSSF）湿地。微生物在湿地污染物去除中发挥核心功能，包括脱氮、除磷及有机物降解。近年来的应用表明，CWs在处理低C/N污水时虽具成本优势，但传统设计对氮素去除效率有限，需通过集成先进生物技术以提升性能。

CWs integrated with sulfur-based autotrophic denitrification

硫基自养反硝化（SAD）利用硫化物（如硫单质或硫酸盐）作为电子供体，将硝酸盐（NO₃^-）还原为氮气（N₂），无需外源有机碳，显著降低碳排放与污泥产量。将SAD与CWs结合（如硫磺填充基质湿地），可通过硫氧化细菌（如Thiobacillus）驱动反硝化，有效解决低碳污水脱氮难题。类似地，黄铁矿基自养反硝化（PAD）以FeS₂为电子供体，同步实现脱氮与铁离子（Fe²⁺）释放，进一步强化除磷效果。这些自养过程不仅减少N₂O生成路径，还避免有机碳添加带来的二次污染，契合碳中和处理理念。

Future directions and suggestions for development of CW-based processes

未来CW系统的发展需聚焦于多技术耦合创新。微生物燃料电池集成人工湿地（MFC-CWs）和生物电化学系统耦合湿地（BES-CWs）可通过原位产电提升污染物降解效率；生物强化湿地（HB-CWs）通过投加功能菌剂（如anammox菌）增强脱氮能力。此外，应优化湿地基质配置、植物筛选与水力设计，以提升系统稳定性与适应性。政策层面需推动CW技术在分布式污水处理场景的应用，并建立全生命周期碳排放评估体系，为碳中和技术推广提供数据支撑。

Conclusions

本研究基于城市污水可持续处理愿景，得出以下结论：第一，传统高碳排放、高化学品依赖的工艺已难以满足碳中和要求；第二，人工湿地通过生物能源回收、低碳脱氮与GHG减排，具备实现碳中性处理的潜力；第三，集成SAD、PAD与anammox等先进生物技术的CW系统，可同步提升脱氮效率与降低温室气体排放，代表未来低碳水处理的重要方向。该综述为城市污水处理的可持续发展提供了技术路径与理论依据。