在低温条件下，基于生物炭的 constructed wetlands（人工湿地）能够有效去除废水处理厂出水中的氮元素，并同时减少溶解性一氧化二氮的排放

《Bioresource Technology》：Nitrogen removal in wastewater treatment plant effluent by biochar-based constructed wetlands under low temperature conditions associated mitigation of dissolved nitrous oxide

　　

张彦超|闫龙龙|陈曼|陈伟|赵阳国|杨向宇

中国海洋大学海洋工程地质与环境山东省重点实验室，青岛266100，中华人民共和国

摘要

在低温条件下，人工湿地（CWs）的氮去除性能往往受到影响，同时可能会促进废水处理厂出水中溶解态和气态一氧化二氮（N₂O）的积累。本研究评估了在冬季条件下（4-13°C）添加生物炭的人工湿地系统对氮去除效果，并研究了其对溶解态N₂O（d-N₂O）和气态N₂O（g-N₂O）动态的影响。添加适量的生物炭（10克/升）可最大程度地提高氮去除效率，使d-N₂O和g-N₂O的减少量分别达到26%，总氮去除率提高50%。生物炭改善了根际的氧化还原条件，富集了反硝化菌，并提高了< />Z/(norB + norC)比率，从而促进了N₂O的完全还原。此外，增强的光合作用能力和抗氧化活性也加强了植物对N₂O的吸收。生物炭的多孔结构和电子传递能力进一步促进了微生物的电子传递，维持了反硝化过程。这些发现表明，生物炭驱动的植物-微生物协同作用有效缓解了人工湿地在冬季的d-N₂O积累问题，为气候变化适应性废水处理提供了低碳策略。

引言

随着城市化进程的加快，污水处理厂（WWTPs）排放的一氧化二氮（N₂O）问题变得越来越严重。作为主要的温室气体之一，N₂O是实现碳中和目标的关键控制因素（Forster等人，2023年）。自1850年以来，大气中N₂O浓度从270 ppb上升到333 ppb（Charoenpornpukdee等人，2023年），其中污水处理厂每年贡献约2.2×10⁶吨N₂O，占其总碳当量排放量的50%以上（Wang等人，2022年）。尽管气态N₂O（g-N₂O）的排放受到了广泛关注，但其对生态系统的风险（尤其是溶解态N₂O，d-N₂O）仍被严重低估（Vasilaki等人，2020年）。全球每年有3.0×10⁴-7.2×10⁴吨d-N₂O从污水处理厂排放出来，尤其是在低温季节（Ehalt Macedo等人，2021年）。这是因为在低温下d-N₂O在水中的溶解度增加，导致冬季排放浓度升高，进一步加剧了其环境影响。如此大量的d-N₂O进入水体可能会直接威胁水生生物和微生物群落，并最终进入大气，加剧气候变化（Ma等人，2017年）。因此，亟需开发既能去除又能防止d-N₂O二次释放的技术。

人工湿地（CWs）因其低能耗和生态兼容性而成为净化污水处理厂出水的可持续方法（Wu等人，2015年）。然而，在低温条件下，由于微生物活性受限和氧气传递受阻，CWs的氮去除效果显著下降，导致N₂O积累（Wu等人，2023年）。传统基质（如砾石和沸石）在冬季的氧气扩散效率下降30%-50%，使得总氮去除率降低20%-40%，N₂O排放量增加（Hu等人，2021年）。因此，改良基质已成为提高CWs低温性能的有效手段。生物炭具有较大的表面积、多孔结构和氧化还原活性，可以改善氧气扩散、增强电子传递，并富集功能性微生物，被认为是提升CWs氮去除效果的理想基质（Chen等人，2021年）。例如，添加生物炭后，大孔径（>50 nm）占比增加至60%，氧化还原势波动减少40%，促进了菌株的增殖（增加了1.5-2.0倍）（Zheng等人，2022a）。此外，生物炭还可以通过影响沉积物土壤中的电子流动和微生物代谢途径来调节N₂O的生成（Su等人，2019年）。有研究表明，在低温条件下，生物炭有可能抑制d-N₂O的生成并促进其还原，从而减少N₂O积累。然而，关于生物炭如何在低温下调控d-N₂O的研究仍然有限，该领域仍有待探索。

湿地植物是CWs的另一个重要组成部分，通过多种途径参与氮循环和温室气体调节（Machacova等人，2019年）。湿地植物通过直接吸收氮素以及改变氧化还原条件来促进微生物活性（Vymazal，2013年）。然而，研究表明，植物直接吸收的氮素仅占总氮去除量的20%左右（Meng等人，2014年）。更重要的是，植物通过释放易降解的有机碳（根系分泌物）间接支持反硝化作用，为反硝化细菌提供必需的电子（Meng等人，2014年），从而促进了CWs内的N₂O还原。总体而言，植物通过以下方式参与生态系统中的N₂O交换：（1）从土壤水中吸收d-N₂O并通过蒸腾作用将其释放到大气中（Machacova等人，2013年）；（2）在植物组织内直接产生N₂O（Smart和Bloom，2001年）；（3）通过未知机制消耗大气中的g-N₂O（Machacova等人，2017年）。因此，将湿地植物引入基于生物炭的CWs有望在低温条件下提高d-N₂O的去除效果。

基于以上考虑，本研究旨在评估在低温条件下添加生物炭的人工湿地系统对污水处理厂二级出水氮去除的效果，重点关注d-N₂O和g-N₂O的动态变化。具体来说，本研究的目标是：（1）探讨生物炭在低温下的物理化学性质如何提高氮去除效果并减少d-N₂O；（2）研究生物炭添加如何通过微生物和植物介导的途径改变d-N₂O和g-N₂O的积累；（3）阐明生物炭-植物-微生物相互作用如何调节氮的转化及其对N₂O的影响。这些结果有助于理解人工湿地在处理废水中的氮和N₂O转化机制，并为开发低碳、气候变化适应性的废水处理技术提供理论支持。

节选内容

人工湿地的设计与运行

构建了12个垂直流式人工湿地，使用聚氯乙烯柱（高度：50厘米，内径：20厘米）。每个湿地填充了直径为5-8毫米的砾石（有效填充深度：45厘米），并在顶部和底部各设置了10厘米的支撑层以优化水流分布。中间层（25厘米）进行了改良，设置了四种处理方案：不添加生物炭的对照组（CK）和 three个添加了600°C热处理过的香蒲生物炭的实验组（CBC）

冬季条件下的人工湿地性能

稳定运行一个月后，所有湿地的温度范围为4-13°C（图S2）。在此期间，进水质量的变化导致出水效果出现波动。平均进水中NH₄⁺-N浓度为0.39±0.09毫克/升，出水浓度排序为BC10< />< />< />

结论

研究表明，生物炭驱动的植物-微生物协同作用在低温条件下提高了人工湿地的氮去除效果，同时减少了N₂O的积累。生物炭的多孔结构和电化学性质促进了微生物的电子传递和反硝化过程。生物炭还改善了根际的氧化还原环境，富集了反硝化菌，并提高了< />Z/(norB + norC)比率，从而促进了N₂O的减少

Yang等人，2020a；Yang等人，2020b。

张彦超：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，软件使用，资源管理，项目管理，方法论设计，数据分析，概念构建。闫龙龙：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，软件使用，资源管理，项目管理，方法论设计，数据分析，概念构建。陈曼：撰写 – 审稿与编辑，方法论设计

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52570218）、泰山学者青年专家计划（tsqn202408074）、山东省优秀青年科学家基金（海外项目）（项目编号：2024HWYQ-040）、山东省博士后创新计划（项目编号：SCCX-ZG-202400175）、广西北部湾海洋资源与环境可持续发展重点实验室（项目编号：MRESD-2025-B08）以及山东省科技型中小企业的支持