综述：潮汐流构建湿地的机制、影响因素、去除效果以及电化学强化技术

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Mechanisms, influencing factors, removal effectiveness and electrochemically enhanced technologies of tidal flow constructed wetlands

潮汐流人工湿地（TFCW）通过周期性淹水与静置交替创造厌氧/好氧环境，显著提升氧供应，综述了其污染物去除机制、影响因素及电化学增强技术，指出未来需优化功能基质、长期实际废水评估及模型构建。

　　

赵春瑶|杨玉青|王晓恒|张佩阳|方博涵|钟玉婷|赵珂|胡振|崔二平|李建安

青岛理工大学环境与市政工程学院，中国青岛266520

摘要

潮汐流 constructed wetland（TFCW）通过潮汐作用创造出厌氧/好氧交替的环境，显著增强了氧气供应。本文综述了TFCW的机制、影响因素、去除效果以及电化学增强技术的最新研究进展，强调了其可行性和灵活性。TFCW独特的水力条件（如淹没/休眠时间比）与环境中的底物、植物和微生物协同作用，有效去除常规和新兴污染物。进水中的碳氮比和温度也会影响去除效果。通常情况下，总悬浮固体和生化需氧量能够被高效去除。化学需氧量的去除效果因淹没/休眠时间比的不同而有所变化，在淹没阶段溶解氧充足时去除效果更好。氨的去除主要通过底物吸附和微生物硝化作用实现。相比之下，硝酸盐和亚硝酸盐的去除效果变化较大，且容易在系统中积累。总磷和磷酸盐的去除效果也存在波动。此外，有限的研究表明TFCW能有效去除重金属、药物和个人护理产品以及抗生素抗性基因。为了进一步提高去除效果，电化学技术（如电解、铁碳微电解、微生物燃料电池）已被成功应用于TFCW，并证明了其有效性。未来的研究应重点关注新型功能底物的测试、使用实际废水进行长期评估以验证系统对更多污染物的去除能力、在潮汐动态下的机制研究、从试点到规模化应用的研究，以及通过综合评估指导系统优化。

引言

湿地是定期或不定期被淹没的独特生境，具有多种生态功能，包括水质净化、气候调节和生物多样性保护[1]、[2]、[3]。虽然自然湿地已用于污水处理数个世纪，但在许多情况下，其目的更多是作为废水的排放场所，而非真正进行处理[4]。通过模拟自然湿地的净化机制，人们开发出了人工湿地（CW）技术[5]。人工湿地的建造可以更好地控制，从而实现具有特定底物、植物类型和流动模式的湿地系统[4]。近年来，由于其高效性、经济性和可持续性，人工湿地受到了广泛关注[6]、[7]。

人工湿地用于污水处理的技术发展可以追溯到1903年，英国约克郡的Earby建立了第一座用于污水处理的人工湿地[8]。自20世纪80年代以来，一系列与人工湿地技术相关的机制和设计规范被提出，人工湿地正式成为环境科学领域中独特的污水处理技术[9]。根据水的相对位置，传统的人工湿地可分为表面流系统和地下流系统；根据水流方向，地下流系统又可分为水平流系统和垂直流系统[10]。然而，传统人工湿地在实际应用中常常因缺乏氧气来源而受到限制[6]、[11]、[12]。

潮汐流 constructed wetland（TFCW）是由英国伯明翰大学的研究人员提出的一种新型人工湿地[13]。TFCW的核心思想是通过周期性向湿地中投加和排放废水来模拟自然潮汐现象和交替的氧化还原环境。这种独特的运行模式提高了再氧化效率，氧气传输速率可达450 g/(m2·d)，同时增强了微生物的代谢活动[14]。此外，周期性的淹没和休眠有助于冲刷和更新底物孔隙中的生物膜，从而减轻堵塞问题[15]、[16]。近年来，TFCW在去除总悬浮固体（TSS）、生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、氮、磷、重金属、药物和个人护理产品（PPCPs）以及抗生素抗性基因（ARGs）方面得到了广泛研究[14]、[17]、[18]、[19]。近年来，还提出了将电化学技术应用于TFCW以进一步提升其性能，电解-TFCW（E-TFCW）、铁碳微电解TFCW（I-TFCW）和微生物燃料电池TFCW（MFC-TFCW）已被证明有效[20]、[21]、[22]。

TFCW不仅具备涉及植物、底物和微生物的物理、化学和生物去除过程[14]、[23]、[24]、[25]，还具有干湿交替的独特水力条件[13]、[26]。与已被大量研究的传统人工湿地不同，关于TFCW发展的总结工作相对较少。Amarakoon等人[6]介绍了TFCW的发展过程，强调了TFCW强大氧气供应能力对氮去除的重要性。据我们所知，目前尚无专门针对TFCW的机制、影响因素、去除效果和电化学增强技术的综合性综述。因此，本文对已发表的文献进行了总结和分析，旨在涵盖TFCW的机制和影响因素研究，评估TFCW对各种污染物（如TSS、BOD、COD、氮、磷、重金属、PPCPs和ARGs）的去除效果，并强调了TFCW与电化学技术的结合。最后，本文还概述了TFCW领域进一步研究的前景。

方法论

本综述使用的数据库包括Web of Science、Elsevier?、ACS Publications?、Springer?、Scopus?、中国国家知识基础设施（CNKI）、Bing和Google Scholar。关键词搜索包括“潮汐流 constructed wetlands”以及“水力条件”或“底物”、“植物”、“微生物”、“重金属”、“PPCPs”、“ARGs”和“电化学技术”。搜索范围限定在2010年至2026年初的文献。选择标准主要基于

TFCW的配置与运行

关于TFCW的研究主要在实验室规模进行，使用的反应器主要为垂直流柱型[19]、[27]、[28]；同时也有关于中试规模[29]和现场规模[31]、[32] TFCW的报道。实验室规模的TFCW通常由有机玻璃[33]、[34]或聚氯乙烯[21]、[35]等材料制成。中试规模的TFCW主要由聚氯乙烯板制成[29]、[30]。现场规模的TFCW

去除机制与影响因素概述

图2展示了TFCW系统中污染物去除机制的示意图。在TFCW中，污染物去除是通过底物、微生物和植物中的物理、化学和生物过程的协同作用实现的，这一过程得益于通过水力停留时间（HRT）/水力负荷率（HLR）[45]、[75]、[85]、淹没/休眠时间（F/R）比[33]、[86]以及投加方式[17]、[72]实现的厌氧/好氧条件的交替。

电化学增强TFCW技术

近年来，为了进一步提高TFCW的性能，人们将其与电化学技术相结合。目前已开发出电解-TFCW（E-TFCW）、铁碳微电解TFCW（I-TFCW）和微生物燃料电池TFCW（MFC-TFCW）（图4）。表4展示了这三种技术的对比。这些技术旨在解决特定的瓶颈问题。E-TFCW通过引入外部电子和氧气

未来展望

作为一种新型人工湿地技术，TFCW在去除常规和新兴污染物方面展现出巨大潜力。然而，仍有一些方面需要进一步研究。

底物在TFCW中起着关键作用，最常用的材料是砾石和沸石。迄今为止，已成功应用的功能性材料（如热改性的凹凸棒土、改性可持续陶粒）和新型材料（如多孔地质聚合物、轻质膨胀粘土骨料）

结论

TFCW通过模拟自然潮汐现象，使湿地在淹没和休眠阶段之间切换，从而形成厌氧和好氧环境的交替。TFCW对常规和新兴污染物的去除效果受多种关键因素的影响，包括HRT/HLR、F/R比、投加方式、进水C/N比、温度、植物、底物和微生物。水力条件对去除过程有显著影响。总体而言，TFCW表现出良好的

CRediT作者贡献声明

方博涵：研究。张佩阳：研究。赵珂：研究。钟玉婷：研究。赵春瑶：撰写 – 综述与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件应用、方法学研究、研究、数据分析。王晓恒：研究。杨玉青：撰写 – 综述与编辑、可视化、研究。崔二平：撰写 – 综述与编辑。胡振：撰写 – 综述与编辑。李建安：撰写 – 综述与编辑、可视化

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52300050）的支持。李建安博士还获得了山东省自然科学基金（项目编号：ZR2022QB071）和青岛理工大学人才计划（项目编号：2003/20500203、2003/20501084）的资助。