性能、细菌群落动态以及电场促进的垂直流式 constructed wetlands （人工湿地）处理生活污水的关键机制

《Journal of Environmental Management》：Performance, bacterial community dynamics, and key mechanisms of electric field enhanced vertical flow constructed wetlands treating domestic wastewater

　　

陆秀秀|薛欣|张水霖|王燕|刘云根|杨思琳

中国云南省昆明市西南林业大学水土保持学院，邮编650224

摘要

碳供应不足、微生物活性有限以及氮和磷的同步去除效率低下，制约了传统垂直流 Constructed Wetlands（VFCWs）在生活污水处理中的性能。本研究建立了一种电场强化型 VFCW 系统（EF-VFCWs），并将其与传统 VFCWs 进行了比较，用于农村生活污水处理。在不同的水力停留时间下，EF-VFCWs 在去除 NH₄⁺-N、NO₃^?-N、COD 和 TP 方面表现更好，尤其是在氮和 COD 的去除效果上提升更为显著。高通量测序显示，电场作用重塑了细菌群落，增加了与反硝化、磷转化和有机物降解相关的菌类的相对丰度。功能预测进一步表明，EF-VFCWs 中参与碳、氮和磷转化的多个 KEGG 正交基因和代谢途径组的相对丰度更高。PLS-PM 分析表明，环境因素通过调节微生物群落结构和功能潜力间接影响了污染物的去除效果。总体而言，电场耦合增强了湿地系统内的生物电化学相互作用，从而提高了处理效果。

引言

全球对水资源的需求正在以惊人的速度增长，而可供人类使用的淡水量却在急剧减少。在这种情况下，未经处理的农村生活污水排放加剧了淡水短缺和环境污染的双重危机。农村生活污水中含有大量的有机物、氮、磷和致病微生物。如果不加以处理直接排放，会导致水体富营养化、水质恶化，并在极端情况下破坏生态平衡，从而阻碍农村地区的可持续发展（Zhao 等，2022）。

为了应对农村地区水环境日益恶化的情况，许多研究致力于寻找和提高污染物去除效率的技术。传统的污水处理技术如化粪池、生物膜反应器、生物过滤器和氧化沟通常对进水质量要求较高，且运营复杂、维护成本高（Zhang 等，2023a；Guo 等，2014）。据报道，化粪池在持续厌氧条件下运行，只能部分去除生化需氧量（BOD）和少量氮（Cao 等，2022）。氧化沟需要较大的占地面积，而生物过滤器需要定期更换过滤介质（Gu 等，2023）。建造湿地作为一种成本低、能耗低、操作简便且环保的污水处理技术，已经得到广泛应用（Zhang 等，2023a，Zhang 等，2023b；Ruan 等，2024）。然而，传统建造湿地存在诸多局限性，如溶解氧含量低、水力负荷能力差、氮和磷去除效率不稳定、易堵塞、电子供体稀缺以及植物衰败（Wu 等，2023）。为了解决这些问题，研究人员将建造湿地与其他技术结合使用以提高污水处理效率。例如，将光催化技术应用于建造湿地可以有效提升抗生素和其他传统污染物的去除效果（Chen 等，2023）。此外，将建造湿地与微生物燃料电池（MFCs）结合使用时，对于污水处理厂排放的含盐废水，平均去除率分别为 TN 86.48%、TP 88.1%、NH₄⁺-N 82.67% 和 COD 88.96%（Xu 等，2024）。此外，使用 Fe⁰-C 媒质填充建造湿地用于城市污水处理时，TP 的去除率可达到 90%（Huang 等，2020）。尽管大量研究表明集成技术可以提高建造湿地对氮和磷的去除效果，但这些技术的应用主要集中在微污染河流的净化和市政及工业废水的处理上。然而，这些方法尚不足以满足大规模实际应用的需求。因此，开发低成本、高效、易于管理的分布式和小型农村污水处理技术对于农村地区尤为重要。

石墨及其衍生物由于具有优异的电导率、高电化学活性、良好的耐久性和高效的吸附性能，在污水处理领域受到了广泛关注（Hossain 等，2020）。由石墨材料和其他技术构成的反应器通过一系列设计的化学反应、电化学过程或物理过程产生大量自由基，然后利用这些自由基的强氧化性能来降解废水中的污染物（Panizza 和 Cerisola，2009）。例如，向净水污泥中添加石墨颗粒可以增强体系内过氧化氢（H₂O₂）的生成。颗粒电极产生的表面结合自由基和单线态氧（¹O₂）能够抵抗 pH 值和复杂水质条件的影响（Yang 等，2024）。Lu 等（2023）的研究使用复合石墨毡阴极构建的异质电-Fenton 系统处理了高污染的纺织废水、老化垃圾渗滤液和抗生素废水。在此过程中，原位生成的 H₂O₂ 立即被激活为羟基自由基（•OH）和超氧自由基（•O₂^?），有效处理了高污染废水，处理后的出水达到了可接受的污染负荷和毒性水平。Lutterbeck 等（2022）发现，当施加到石墨电极上的最大电压达到 148 mV 时，系统实现了 COD 减少 79.8%、BOD 减少 78.6%、TN 减少 81.6%、总溶解碳（TDC）减少 53.1%、溶解有机碳（DOC）减少 81.5% 和浊度减少 99.9%。此外，石墨材料还具有良好的保水性和吸附性能。这些特性可以增强土壤的持水能力，促进种子发芽和根系生长，并提高植物的抗氧化能力，从而减少氧化应激对植物细胞的损害（Zhang 等，2024c）。Acosta 等（2017）利用导电石墨形成电场，发现 0.2 V/cm 的直流电压有利于植物发芽和生长；而交流电（AC）的应用能有效去除土壤中的重金属和多环芳烃。这是由于电场能够吸附并有效抑制 PAHs 的迁移，从而增强了受污染土壤的生物屏障。另外，石墨电极在电化学处理过程中可以作为微生物的电子供体或受体，从而提高微生物的活性和代谢效率，促进微生物与电极之间的电子转移。Zhang 等（2025）报告称，当石墨电极作为 MFC 的阳极使用时，在 693.04 mV 的电压下能与微生物形成有效的电化学耦合，加速 COD 的降解速率，去除效率达到 91.57%。上述研究表明，导电石墨电极在电场形成应用中具有巨大潜力，并在多个领域取得了显著成果。这些研究发现为将电场技术与建造湿地结合用于处理生活污水中的氮、碳和磷提供了理论基础和技术指导。

因此，本研究建立了两个实验室规模的垂直流建造湿地系统：一个电场强化型垂直流建造湿地（EF-VFCWs）和一个传统垂直流建造湿地（VFCWs），并比较了它们在处理农村生活污水方面的性能。研究目的包括：（1）评估 EF-VFCWs 在不同水力停留时间下的污染物去除效果；（2）利用高通量测序技术研究 EF-VFCWs 内细菌群落的变化；（3）探讨电场作用下系统内细菌群落的代谢过程；（4）揭示环境因素、污染物去除和 EF-VFCWs 中细菌群落之间的相关性，并阐明污染物去除机制。

章节摘要

实验系统的设计与操作

垂直流建造湿地和电场强化型垂直流建造湿地系统采用 8 毫米厚的亚克力板制造。每个系统的有效体积为 50 升，尺寸为 60 厘米（长度）× 40 厘米（宽度）× 50 厘米（高度）。两个系统的示意图见补充材料（图 S1）。一个位于系统底部上方 5 厘米处的 8 毫米厚有机玻璃隔板将 EF-VFCWs 分为两个独立单元。

微环境变化

表 S2（见补充材料）展示了实验期间 EF-VFCWs 和 VFCWs 的进水与出水微环境参数的变化。在 48 小时的水力停留时间下，EF-VFCWs 的 DO、EC 和 ORP 水平与出水之间存在统计学上的显著差异（P < 0.05），而 VFCWs 则无显著差异。具体来说，EF-VFCWs 的出水 DO 和 ORP 平均值高于其

结论

在本研究条件下，EF-VFCWs 在去除农村生活污水中的 NH₄⁺-N、NO₃^?-N 和 COD 方面优于传统 VFCWs，同时在 TP 的去除潜力上也有所提高。电场的引入改变了系统的微环境条件，特别是 DO、ORP 和 pH 值，重塑了细菌群落结构，并增加了某些功能菌类以及 KEGG 正交基因和代谢途径组的相对丰度。

作者贡献声明

陆秀秀：撰写——初稿、方法学设计、实验实施、数据分析、概念化。薛欣：撰写——初稿、数据可视化、方法学设计、数据分析。张水霖：实验实施、数据分析、数据管理。王燕：审稿与编辑、项目监督、资源协调、实验设计。刘云根：审稿与编辑、项目监督、资源协调。杨思琳：审稿与

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。

本工作得到了 云南省重点研发计划（编号：202502AE090046）和中国 云南省科技部重点项目（编号：202402AE090428 和 202301AS070042）的财政支持。