《Process Safety and Environmental Protection》：Performance and microbial responses of vertical flow constructed wetlands intensified by electric and magnetic fields for domestic wastewater purification
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摘要本研究构建了两种强化型垂直流人工湿地系统：电场强化型和磁场强化型垂直流人工湿地，旨在研究电场和磁场在处理生活污水处理中垂直流人工湿地的性能及微生物机制。结果表明，在72 h水力停留时间（HRT）下，磁场强化型垂直流人工湿地（M_VFCW）的COD去除率（67.79%）和N
摘要
本研究构建了两种强化型垂直流人工湿地系统：电场强化型和磁场强化型垂直流人工湿地，旨在研究电场和磁场在处理生活污水处理中垂直流人工湿地的性能及微生物机制。结果表明，在72 h水力停留时间（HRT）下，磁场强化型垂直流人工湿地（M_VFCW）的COD去除率（67.79%）和NH??-N去除率（88.76%）达到最优，而电场强化型垂直流人工湿地（E_VFCW）在TP去除率方面表现突出（61.84%）。从机制上看，电场通过阳极析氧直接增加溶解氧浓度，而阴极产生的OH?提高了局部pH值，为磷酸盐固定创造了有利的碱性微环境。此外，这种电化学扰动选择性地富集了电活性微生物，从而增强了胞外电子传递和有机污染物降解。相比之下，磁场激活了磷酸酶、脲酶和脱氢酶，富集了包括关键反硝化属在内的变形菌门（Proteobacteria），同时诱导植物产生轻度抗氧化反应。KEGG预测表明，在外部场作用下，碳代谢、能量代谢和膜转运途径上调。冗余分析显示环境因素解释了群落变异的60.77%。两种策略均未导致植物氧化应激，确认了良好的生物安全性。初步经济评估表明，E_VFCW和M_VFCW的年能耗成本分别约为3.3和0.7美元，固定资产投资分别为291和247美元，但电极腐蚀、退磁和放大成本仍是实际应用中的挑战。电场和磁场能够增强垂直流人工湿地性能，针对不同污染物发挥各自的强化优势，从而为强化污水处理措施提供了理论依据。
引言
全球淡水资源日益匮乏与水污染不断加剧已成为日益严峻的挑战，农村生活污水的无序排放是其主要贡献因素之一。该类污水中含有大量有机物、氮、磷等营养物质，直接排放严重威胁水生态系统安全（Li等，2023）。由于农村地区基础设施不足、资金有限以及运维能力欠缺，传统污水处理工艺因投资高、运行复杂而难以广泛实施（Lu等，2025；Xue等，2025）。
人工湿地（CWs）凭借其低能耗和维护简便的优势，已成为分散式污水处理的重要技术（Guo等，2025；Ding等，2025）。人工湿地通过基质滞留、植物吸收和微生物代谢协同去除污染物（Xia等，2025）。然而，其处理性能常受限于溶解氧（DO）浓度低和电子供体匮乏，通常导致氮去除效率不足以及基质吸附饱和后磷去除不稳定（Yin等，2024；Liu等，2026）。为突破这些瓶颈，研究人员开发了多种强化策略。具体而言，添加外部碳源可增强反硝化效率，但成本较高且存在二次污染风险（Ebrahimi等，2021）。间歇曝气可改善DO分布，但会增加能耗和运行复杂度（Fernandez-Gatell等，2022）。铁碳微电解填料可通过Fe?/C原电池原位产生Fe2?/Fe3?，驱动自养反硝化和化学除磷，实现总氮（TN）和总磷（TP）去除率达58%~90%（Yu等，2023；Li等，2025a）。然而，填料快速消耗和铁离子浸出导致出水色度增加，制约了其长期应用（Zheng等，2019）。
近年来，外电场和磁场作为非侵入式强化手段受到越来越多的关注（Zhang等，2024）。在电场强化方面，耦合生物电化学系统的人工湿地（CW-BES）可在电极界面提供原位电子供体/受体，促进微生物与电极之间的胞外电子传递，已被证实可提高氮去除率并重塑微生物群落结构（Wang等，2025a；Rago等，2019）。然而，现有电场强化研究主要集中于复杂的CW-BES构型，微生物途径对传统污染物去除的具体贡献仍需进一步阐明（Yin等，2025）。在磁场强化方面，适度静磁场可激活基质酶活性，特别是氨单加氧酶，并富集参与氮循环的功能菌群，从而有效提高NH??-N和COD去除效率（Huang等，2021；Liu等，2020）。同时，施加的磁场可增强湿地植被的光合速率和抗氧化酶活性，从而缓解氧化应激（Tong等，2024；Chen等，2019）。近期，针对电磁场耦合垂直流人工湿地（VFCWs）的研究表明，电磁场可通过上调参与能量代谢、膜转运和氮代谢的基因表达来强化污染物去除（Xu等，2024；Huang等，2020）。尽管电场和磁场已分别被证明可有效增强人工湿地性能，但在相同实验条件下对碳、氮、磷的去除性能比较及其独特强化机制尚未进行系统研究。明确哪种外部场更适合特定目标污染物，对于根据不同水质需求选择最优强化技术至关重要（Chen等，2024a）。此外，电极材料选择（Zhang等，2025a）、植物物种差异（Cao等，2022）以及长期运行中磁场强度的衰减是全规模应用中的实际问题（Lin等，2023）。尽管部分研究表明电场和磁场的协同应用可能产生协同效应（Zhu等，2021；Zhang等，2023a），但其运行阈值和能耗优化仍有待深入探索（Nan等，2023；Zhao等，2022）。因此，系统对比单一外部场的作用效果可为后续复合强化策略提供关键的基准数据（Ruan等，2024；Zhang等，2023b）。
鉴于此，本研究建立了三座实验室规模的垂直流人工湿地：传统系统（VFCW）、电场强化系统（E_VFCW）和磁场强化系统（M_VFCW）。通过研究不同水力停留时间（HRT）下的污染物去除性能，并整合高通量测序、KEGG功能预测、基质酶活性和植物抗氧化酶分析，本研究系统揭示了电场和磁场对微生物群落、功能基因和酶活性的差异影响。最终目标是阐明这两种外部场强化途径的优先去除目标和微观机制，从而为生活污水处理的实用化强化技术提供坚实的理论基础和技术支撑。
章节摘要
实验装置与设计
本研究建立了三套平行的垂直流人工湿地（VFCW）系统：传统VFCW、磁场强化VFCW（M_VFCW）和电场强化VFCW（E_VFCW）。传统VFCW的示意图配置见图1(a)。主反应器由有机玻璃制成，尺寸为60 cm × 50 cm × 40 cm，有效容积为50 L。系统分为两个不同的隔室：左侧隔室
COD去除性能
三种湿地系统在24、48和72 h不同HRT下的污染物去除性能见图2。如图2(a)所示，传统VFCW在24、48和72 h HRT下的平均COD去除率分别为31.47%、43.90%和47.60%。值得注意的是，COD去除率随运行时间延长逐步提高，证实了HRT是污染物削减的关键控制因素。对于E_VFCW，平均COD
结论
M_VFCW对COD和NH??-N的削减效果最优，在72 h水力停留时间下峰值去除率分别达到67.79%和88.76%，而E_VFCW在TP固定方面表现突出（61.84%），两者均显著优于传统VFCW对照组。从机制上看，施加的电场通过阳极析氧增加溶解氧浓度，阴极产生的OH?提高了局部pH值，创造了碱性的
CRediT作者贡献声明
赵兴杰：撰写——审阅与编辑。徐超：撰写——审阅与编辑、监督。郭凤前：撰写——审阅与编辑。卢秀秀：撰写——审阅与编辑。李梦莹：撰写——审阅与编辑、监督。马蓉：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金支持。尹发金：撰写——初稿、形式分析、数据管理、概念设计。罗虎：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到云南省科技计划一般项目资助（编号：202501BD070001-097）。
尹发金|马蓉|李梦莹|徐超|赵兴杰|卢秀秀|郭凤前|罗虎
