生物炭改良的地下废水渗透系统在液压负荷驱动下的污染物去除机制及温室气体减排策略

《Process Safety and Environmental Protection》：Pollutant removal mechanism and greenhouse gas emission reduction strategy of biochar modified subsurface wastewater infiltration system driven by hydraulic load

生物炭增强的地下污水渗透系统在变水力负荷下污染物去除与温室气体减排协同调控机制研究。实验表明生物炭通过吸附污染物和促进微生物代谢显著提升系统抗冲击能力，维持COD去除率＞82%，低水力负荷（0.05-0.10 m3·m?2·d?1）促进脱氮菌增殖，高负荷（＞0.15）导致硝化抑制和氨氮积累。系统水力负荷优化（0.10-0.15）可同步实现高效污染物去除和温室气体减排。微生物群落结构（Proteobacteria、Chloroflexi、Actinobacteriota）及功能（COD去除与NH4+转化相关菌群、CO2/N2O排放与氨氧化菌关联）揭示了环境因子与微生物互作的调控路径。

　　

北京科技大学能源与环境工程学院，工业污染物资源导向处理国家重点实验室，北京 100083，中国

摘要

本研究实验性地研究了两种地下废水渗透系统（SWIS A和SWIS B）在不同水力负荷率（HLR）条件下的污染物去除、温室气体（GHG）排放及微生物群落变化的特点。结果表明，生物炭通过吸附污染物和促进微生物生长显著提高了系统的负荷冲击耐受性。在低HLR（0.05 ~ 0.10 m3·m?2·d?1）条件下，COD去除率保持在82%以上，并且生物炭通过富集反硝化细菌促进了氮的去除。此外，低HLR条件下的好氧状态导致CO?和N?O排放增加，而高HLR条件下的上层厌氧状态则减弱了硝化作用，导致NH??-N的积累。将HLR控制在0.10 ~ 0.15 m3·m?2·d?1可以有效实现污染物去除和温室气体减排的目标。在门水平上，Proteobacteria、Chloroflexi和Actinobacteriota是主要负责SWIS处理能力的微生物群；在属水平上，Arthrobacter、norank_o_Vicinamibacterales和norank_c_KD4-96是主要处理菌种。研究表明，COD去除与Myxococcota和norank_o_Gaiellales有关，而NH??-N的转化主要由Firmicutes和Patescibacteria驱动。CO?和N?O的通量与氨氧化细菌（如Ellin6067）密切相关，而CH?的通量则受到Gematimonadota（促进）和Actinobacteriota（抑制）的协同调节。

引言

在全球可持续水资源管理和气候变化缓解的双重挑战下，分散式废水处理技术的环境影响日益受到关注（Li等人，2011；Wang & Zhang，2017）。地下废水渗透系统（SWIS）是一种广泛应用于郊区、城镇和农村等分散人口区域的陆基废水处理工艺，以其高处理效率和简单的操作管理而闻名（Angelakis等人，2007；Uusheimo等人，2018）。在此过程中，预处理后的废水被分布到地下约50厘米处的渗透基质层中（Yang等人，2022b）。通过毛细作用和土壤渗透，污染物通过过滤、沉淀、吸附和微生物降解被去除。在运行过程中，系统通过微生物代谢（包括好氧降解、硝化、厌氧发酵等）有效去除废水中的有机物、氮、磷等营养物质，同时产生温室气体（GHGs），如CO?、CH?和N?O（Maltais-Landry等人，2009；Zhou等人，2022）。值得注意的是，CH?和N?O的百年全球变暖潜能值分别是CO?的27倍和273倍（IPCC，2021），表明它们的温室效应显著高于CO?。此外，N?O还会导致臭氧层破坏，对大气环境和公共健康构成潜在威胁（Lyu等人，2017；Su等人，2024b）。

在SWIS中，不同温室气体的形成途径具有明显的特异性：CO?主要来源于有机物的好氧分解（Xu等人，2021）；CH?主要在厌氧条件下通过小分子有机化合物的发酵产生（Zhou等人，2022）；N?O大约50%-70%来自不完全的硝化过程，这通常发生在碳源不足、溶解氧（DO）水平升高或硝酸盐氮（NO??-N）浓度高的情况下；另外，约15%-30%的N?O来源于硝化过程，通常与DO限制有关（Sun等人，2022；Zhou等人，2024）。总体而言，SWIS中的温室气体产生是一个涉及多种微生物代谢途径的复杂过程（Ji等人，2021），这一过程受到包括DO水平以及系统中碳和氮源特性在内的多种因素的共同影响。

为了应对SWIS中多途径温室气体产生的复杂性及其影响因素，引入生物炭为系统调控提供了新的可能性。生物炭是一种通过农业生物质废物热解产生的多孔材料，具有较大的比表面积和发达的孔结构，被认为是一种具有广泛应用前景的多功能环境功能材料（Zhou等人，2018c）。当作为基质改良剂添加到SWIS中时，它不仅为微生物提供了附着位点，还提供了额外的碳源（电子供体），从而增强反硝化作用，进而调节微生物群落结构和功能（Jia等人，2023）。此外，生物炭还具有吸附化学需氧量（COD）和氨氮（NH??-N）的能力，有助于提高出水质量（Sun等人，2018）。

水力负荷率（HLR）是SWIS中的关键操作参数，直接影响SWIS中的DO条件和碳-氮基质含量，从而调节污染物去除效率和温室气体排放通量。在低HLR条件下，碳输入不足可能会限制反硝化过程，导致氮去除效率降低和中间产物的积累（Jahangir等人，2016；Li等人，2019）。相反，较高的HLR会增强水力剪切力，可能对基质微生物组中的关键功能微生物（包括厌氧氨氧化菌、反硝化菌和硝化菌）产生不利影响（Wang等人，2018）。值得注意的是，添加生物炭可以通过调节微环境来减轻HLR带来的不利影响，从而提高系统对水力冲击的韧性，从而全面调节系统的污染物去除和温室气体减排性能。

然而，生物炭改良SWIS中HLR对温室气体排放和污染物去除效率的综合影响仍不够明确。因此，本研究旨在：（1）量化不同HLR条件下生物炭改良SWIS中典型污染物的去除效率和温室气体的减排效果；（2）研究不同HLR下生物炭改良SWIS中微生物群落结构的动态变化；（3）阐明微生物群落特征、水质参数和温室气体排放之间的相互关系，从而为优化SWIS的低碳运行建立理论基础。

实验设计与实施

实验在北京国家重点实验室进行。建立了两个试点规模的SWIS柱（分别标记为SWIS A和SWIS B），直径均为40厘米，高度均为120厘米（图1）。从底部到顶部，柱子依次填充了10厘米的砾石层和90厘米的混合基质层。SWIS A的基质组成为65%的黑土、25%的煤渣（质量比）和10%的生物炭，而SWIS B的基质组成为75%的黑土和25%的煤渣（质量比）。

氧化还原电位的变化

ORP和DO是表征地下废水渗透系统基质层内氧化还原微环境的关键参数。它们与微生物代谢活动密切相关，并显著影响系统的营养物质去除效率（Huang等人，2012；Wu等人，2009）。通常，ORP > 400 mV的区域定义为好氧区，ORP < -200 mV的区域定义为厌氧区，-200 mV到400 mV之间的区域被视为兼性区（Li等人）

结论

本研究系统评估了HLR和生物炭对SWIS中污染物降解和温室气体排放的综合影响。结果表明，生物炭通过协同吸附和微生物相互作用显著增强了系统对水力冲击的韧性，在不同HLR条件下保持COD去除率始终高于80%。对于氮的去除，生物炭在低HLR条件下通过富集反硝化细菌群落有效增强了硝化作用

作者贡献声明

Beihai Zhou：可视化、监督、方法学、概念化。Huilun Chen：可视化、资金获取、数据管理、概念化。Rongfang Yuan：项目管理、方法学、数据分析。Shuming Liu：可视化、资源管理、数据管理。Peng Yang：写作-审稿与编辑、软件使用、调查、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。