提升反硝化-硝化耦合效应，实现潮汐流人工湿地的快速除氮

《Bioresource Technology》：Enhanced nitrification–denitrification coupling for high-rate nitrogen removal in tidal flow constructed wetlands

　　

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  在较高的水力负荷下，钢渣-沸石系统对NH₄⁺-N的去除率可超过93%，对总氮的去除率可超过80%。
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  底物、碳源以及水力条件的调控有助于提升氮转化效率。
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  碱性底物无需强力曝气即可维持稳定的硝化作用。
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  钢渣中富含与comammox相关的AOA及Nitrospira菌群。
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  添加甲醇可增加甲基营养型微生物的数量，从而改变反硝化菌群结构。

引言

在传统的生物污水处理过程中，曝气是能耗最高的环节，通常占整个系统能耗的50%以上（Tang等人，2019；Zhang等人，2023）。在需持续曝气以维持好氧环境的曝气人工湿地和生物曝气滤池中，也存在着类似的能耗问题。在实现碳中和以及高效处理污水的背景下，低能耗的替代方案越来越受到重视。潮汐流人工湿地通过周期性注水与排水的机制，利用多孔介质中的空气交换来实现氧气的传递，无需额外机械曝气（Ju等人，2014）。重要的是，潮汐流人工湿地中的氧气供应与水力负荷率密切相关，这有助于在高负荷条件下更好地补充氧气（Zou等人，2022）。然而，由于硝化作用与反硝化作用之间存在脱节，在高水力负荷下要维持高效的氮去除仍面临挑战。

潮汐流人工湿地中的氮去除依赖于底物特性与注水排水操作之间的动态相互作用。在注水阶段，NH₄⁺-N可以被活性底物吸附，然后在干燥阶段被氧化为NO₃^–-N，而再次注水则会造成缺氧环境，有利于反硝化作用的进行（Tanner等人，1999；Zhang等人，2021）。在各类底物中，沸石可通过离子交换作用具备较强的NH₄⁺-N吸附能力（Ma等人，2023；Zhang等人，2021），而钢渣这类碱性材料则可以调节pH值，为硝化作用创造有利条件（Zou等人，2022）。这些特性使得即使在较高水力负荷下（>1.0?m d^?1），也能实现高效的NH₄⁺-N去除（Tan等人，2019；Zou等人，2022）。不过，高效的铵盐去除并不一定意味着总能高效去除总氮，这也凸显了将硝化作用与反硝化作用相结合的重要性。

在高水力负荷条件下，潮汐流人工湿地中的总氮去除往往受到反硝化不彻底以及NO₃^–-N积累的制约。这一问题的根源在于氧气供应与可生物降解有机碳之间的不平衡，导致反硝化作用缺乏足够的电子供体（Cao等人，2022a；Lu等人，2025；Zhao等人，2024）。因此，进水中的化学需氧量与氮的比值成为控制反硝化效率的关键因素（Sun等人，2020）。先前的研究显示，较高的COD/N比值有助于促进反硝化作用（Tan等人，2020；Wu等人，2014），而高水力负荷则会增加潮汐水流的交换频率以及空气与水的接触程度，从而可能提高多孔介质中的氧气含量。但随之而来的好氧碳消耗又会减少可用于反硝化作用的碳源，进而导致硝酸盐的积累。虽然外部碳源的添加可以缓解碳源不足的问题，但过量添加碳源可能会加剧氧气与硝化菌之间的竞争。因此，要在高水力负荷下实现高效的氮去除，就需要在氧气供应与碳源可用性之间找到平衡，以维持硝化与反硝化的协同作用。

除了碳源调控之外，水力条件还会通过影响氧气消耗和底物利用情况来进一步影响这种平衡。在潮汐流人工湿地中，进水流量决定了注水持续时间，进而影响好氧阶段与缺氧阶段的时间分布。较快的注水速度可能会限制好氧碳的消耗，为后续的反硝化作用保留更多的可生物降解有机物，而过长的注水时间则可能导致碳源过度消耗。尽管进水流量在调控高水力负荷下的氮转化过程中可能起着重要作用，但目前对其作用机制的理解还不够深入。

同时，底物的物理化学性质会对微生物群落产生强烈的选择压力，进而影响氮的转化途径。碱度、孔隙率以及阳离子交换容量等参数会影响氧气的扩散速度以及养分的留存情况，从而决定氨氧化细菌、氨氧化古菌以及反硝化菌等关键功能群的分布（Tang等人，2020；Zhong等人，2024）。例如，富含钙和铁的碱性底物（如钢渣）能够促进AOA以及与comammox相关的Nitrospira菌群的富集，而这些菌群有助于在不同条件下维持稳定的硝化作用（Derikvand等人，2024；Zou等人，2022）。这些研究结果表明，由底物特性驱动的微生物选择性可能在高水力负荷条件下维持硝化作用方面发挥重要作用。不过，底物性质如何与水力条件以及碳源可用性相互作用，从而共同调控硝化与反硝化的协同作用，目前尚不清楚。

为了解决这些难题，本研究旨在探讨底物特性、碳源可用性以及水力条件如何影响高负荷潮汐流人工湿地中的氮去除效果。研究提出了三个假设：（i）不同的底物组合会影响高水力负荷条件下的氮去除效率；（ii）碳源可用性和水力条件共同决定了高负荷条件下的硝酸盐还原效率；（iii）更高的氮去除效率与氮循环相关微生物群落以及功能基因谱的变化有关。为此，研究人员构建了四种采用不同沸石基复合底物的实验室规模潮汐流人工湿地，并在高水力负荷条件下对其进行试验。通过分阶段的实验设计，研究了COD/N比值、水力条件以及曝气方式对氮去除性能的影响。此外，还通过高通量16S rRNA测序以及功能基因定量分析，进一步了解了与氮转化相关的微生物响应机制。这些研究结果有助于深入理解高负荷潮汐流人工湿地中的氮转化过程，为优化这类强化型湿地处理系统提供理论依据。

章节要点

实验室规模潮汐流人工湿地的结构与运行策略

研究人员共构建了四组实验室规模的潮汐流人工湿地，这些装置均采用PVC柱作为载体，其内径为15.2?cm，高度为120?cm。每根柱子都包含20?cm厚的砾石支撑层，其上方则是80?cm厚的活性底层（见图1a）。这些活性介质是由沸石（粒径为2–5?mm）、陶粒（粒径为10–15?mm）、火山岩（粒径为5–8?mm）或钢渣（粒径为3–5?mm）按一定比例混合而成的（见图1b）。根据所使用的底物组合以及曝气条件，这些系统被分别命名为ZC（沸石-陶粒组合，带曝气装置）、ZV

注水排水周期对氮去除效果的影响

注水排水周期不仅决定了潮汐流人工湿地的水力负荷率，还会影响氧气的供应情况，进而作用于氮的转化过程。在本研究中，共测试了两种不同的注水排水周期：2/2小时的周期（第一阶段，水力负荷率为1.88?m d^?1）和1.5/1.5小时的周期（第二阶段，水力负荷率为2.51?m d^?1）。如图2a所示，在第一阶段，ZC和ZV系统的NH₄⁺-N去除率约为80%，而在第二阶段，这一数值分别下降到了71%和76%。相比之下，采用钢渣-沸石作为底物的系统（ZS1和ZS2）则始终保持着较高的NH₄⁺-N去除效率

研究结论

本研究表明，在特定的COD/N比值以及合适的水力条件下，潮汐流人工湿地可以实现高效的氮去除。在2.51?m d^?1的高水力负荷条件下，钢渣-沸石底层依然能够保持稳定的硝化作用，同时，在碱性环境中，氨氧化古菌以及与Nitrospira相关的菌群数量也会相应增加。将进水的COD/N比值提升到8，并结合优化的水力运行条件，还可以进一步改善碳源状况，从而提升反硝化作用的效果

各作者的贡献说明

Yuhuan Zou： 文章撰写与修改、数据可视化、方法设计。 Jingjun Ruan： 方法设计、实验开展。 Yongqiang Yang： 文章撰写与修改、初稿撰写、项目管理、方法设计、概念构思。 Gaofeng Wang： 文章撰写与修改、资金申请。 Jie Xu： 文章撰写与修改。 Yongjin Xu： 。 Quan Zhang： 文章撰写与修改。 Shijun Wu： 文章撰写与修改。 Fanrong Chen： 指导工作、概念构思。 Runliang Zhu： 文章撰写——

利益冲突声明

所有作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了以下项目的支持：广东省基础与应用基础研究重大专项（编号：2025B0303000017）；国家自然科学基金（编号：92462303）；深地探测与矿产资源勘查——国家科技重大专项（编号：2024ZD1004002）；中国科学院战略性先导科技专项（编号：XDA0430205）；国家自然科学基金（编号：42572033）；广东省科技计划项目（编号：2024B0303390002）；广东省特殊支持计划（

Yuhuan Zou|Jingjun Ruan|Yongqiang Yang|Gaofeng Wang|Jie Xu|Yongjin Xu|Quan Zhang|Shijun Wu|Fanrong Chen|Runliang Zhu|Jianxi Zhu