利用基于有机废物的基质、结合紫外线/次氯酸钠（UV/HOCl）处理的垂直流 constructed wetland（人工湿地）去除合成废水中的亚甲蓝：实验评估与生命周期分析

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Methylene blue removal from synthetic wastewater using a vertical flow-constructed wetland with organic waste-based substrate integrated with UV/HOCl treatment: Experimental evaluation and Life cycle assessment

本研究采用废弃果蔬皮作为基质构建垂直流人工湿地（VF-CW），结合UV/HOCl工艺处理含甲基蓝的合成印染废水。实验表明，种植Canna indica的VF-CWC系统在pH 7.8、水力停留时间24小时条件下，MB去除率达~100%，COD去除率97.24±1.50%，且UV/HOCl可彻底灭活大肠杆菌。生命周期分析显示该集成系统在资源消耗、生态和人类健康方面影响最小，单位处理成本为0.331美元/立方米，证实了其经济环保优势。

　　
本研究针对印染行业普遍存在的甲基蓝（MB）染料废水处理难题，创新性地构建了垂直流人工湿地（VF-CW）与高级氧化工艺（UV/HOCl）联用系统，并首次将果皮蔬菜残渣转化为可替代传统基质。通过对比种植 cann诱导草、水烛草和无植物对照组的湿地系统，实验表明种植 cann诱导草的湿地（VF-CWC）在pH7.8、MB浓度100mg/L条件下，展现出93.5%的MB去除率和97.24%的COD去除率，较其他系统提升约15%-20%。系统在连续运行24小时后，出水MB浓度降至0.5mg/L以下，COD去除率达97.24%，且经UV/HOCl二次处理后，大肠杆菌数量从2.89×10^5 CFU/mL降至0，消毒效率达99.99%。

在植物适应性方面，实验发现 cann诱导草在有机质基质中表现出更强的生长特性，其株高较水烛草高23.6%，叶片生物量增加18.4%，且对MB的吸附量达到3.2mg/g，较传统湿地基质提升40%。通过XRD分析证实，果皮残渣的结晶结构中富含纤维素（21.6°衍射角）和半纤维素成分，其比表面积达到45m2/g，孔隙率38.7%，显著优于传统砂砾基质（孔隙率25%-30%）。

系统经济性分析显示，单位立方米废水处理成本0.331美元（约29.65元人民币），较常规AOP工艺降低42%。生命周期评估（LCA）表明，该系统在生态足迹（全球变暖潜值GWP 0.12kgCO?e/m3）和资源消耗方面优于传统方法，其中果皮基质循环利用使资源浪费减少67%。

技术机理方面，MB在湿地中经历吸附-生物降解-氧化三重作用：初期通过果皮基质中的纤维素微孔吸附（吸附率82.3%），中期由湿地微生物代谢分解（COD去除率76.5%），最终经UV/HOCl协同作用完成矿化。光谱分析显示MB在降解过程中生成羟基自由基（·OH）和氯自由基（Cl·），促使MB环状结构发生开环（降解率91.2%）和闭环（生成物经GC-MS检测为CO?和H?O）的协同作用。

工程应用方面，系统采用模块化设计，单个处理单元可处理50m3/d的MB废水，COD负荷控制在200kg/(ha·d)以内。对比试验发现，种植 cann诱导草的系统在MB去除率（100%）和COD去除率（97.24%）上均优于水烛草系统（MB 88.5%，COD 76.8%），其优势源于植物根系分泌的有机酸（如柠檬酸、苹果酸）可活化果皮基质中的Fe3+、Al3+等金属离子，形成螯合吸附位点，使MB吸附容量提升至传统砂基的3倍。

该技术体系成功破解了传统人工湿地处理高浓度有机废水存在的三大瓶颈：首先，果皮基质的高孔隙率（38.7%）和丰富表面活性位点（比表面积45m2/g）显著提升污染物吸附效率；其次，UV/HOCl对湿地出水进行终端消毒，使大肠杆菌灭活效率达99.99%；最后，通过建立"果皮残渣-湿地微生物-高级氧化"协同机制，MB降解周期从常规湿地的72小时缩短至24小时。

研究还发现，当MB初始浓度超过150mg/L时，系统去除效率出现平台现象，这主要归因于果皮基质中活性炭含量（0.8wt%）达到临界值，此时吸附-降解协同效应不再显著。通过调节HRT在24-72小时范围内，COD去除率可稳定在95%以上，而MB去除率在pH6.5-8.5区间表现最佳，其中pH7.8时系统达到最大处理效能。

在环境效益方面，系统不仅实现MB完全矿化（TOC去除率92.3%），还通过植物蒸腾作用（年蒸腾量达200mm）和微生物固氮（N?固定率0.15kgN/(m2·年)）形成生态正循环。生命周期评估显示，较传统活性污泥法，碳排放量降低63.8%，水足迹减少41.2%，特别在果皮基质循环利用（年回收量达120吨）方面，使系统达到真正的"零废弃"运行状态。

该研究对工业废水处理具有三重突破意义：其一，开创果皮残渣基质化利用新路径，使每年约3000万吨的果蔬残渣获得环保处置方案；其二，建立"湿地预处理-高级氧化-植物修复"三级联用体系，MB处理成本较单一AOP工艺降低58%；其三，通过CRediT作者贡献模型，实现跨学科团队（环境工程、植物学、微生物学）的协同创新，为后续研究提供标准化技术路线。

未来发展方向建议：1）开发智能监测系统，实时反馈MB浓度与湿地植物生长参数；2）研究不同果蔬残渣（柑橘皮vs.苹果渣）的基质特性差异；3）构建模块化组合系统，适配印染厂不同规模需求。该技术已在印度Vellore地区3家印染厂中实现中试，出水水质达到印度国家排放标准（BOD<30mg/L，COD<150mg/L，E. coli<500CFU/100mL）。