《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Comparison on simultaneous ecosystem stabilization, bio-clogging alleviation and phosphorus removal in constructed wetlands amended with biochar prepared by reed and sludge
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钱秀文|黄娟|徐进|姚家伟|高一仁|梁志水|唐明|史颖中国东南大学土木工程学院市政工程系，南京211189摘要本研究比较了以芦苇为基础的生物炭（RBC）和以污泥为基础的生物炭（SBC）对人工湿地（CWs）中污染物去除性能和生态稳定性的影响。RBC和SBC均显著提高了化学需氧量（C
钱秀文|黄娟|徐进|姚家伟|高一仁|梁志水|唐明|史颖
中国东南大学土木工程学院市政工程系，南京211189
摘要
本研究比较了以芦苇为基础的生物炭（RBC）和以污泥为基础的生物炭（SBC）对人工湿地（CWs）中污染物去除性能和生态稳定性的影响。RBC和SBC均显著提高了化学需氧量（COD）的去除率，分别达到80.1%和81.6%。SBC表面丰富的功能基团可能有助于其更高的COD去除效果。然而，总磷（TP）的去除率仅在添加RBC的组中显著提高，效率高达95.9%。不同生物炭的添加对生物因素的影响各不相同。RBC更倾向于使光合参数含量增加11.0–18.0%，并使脱氢酶（DHA）和中性磷酸酶（NP）的活性分别提高了141.3%和36.1%；而SBC则使NP活性提高了46.3%，这可能是由于污泥中释放的磷所致。此外，生物炭还促进了生物膜的生长并减轻了生物堵塞现象，尤其是在添加SBC的组中。两种生物炭都改变了微生物群落结构，丰富了参与营养物质利用、转化和去除的细菌种类。添加SBC后，酸杆菌门（Acidobacteriota）和拟杆菌门（Bacteroidota）的数量增加，而添加RBC后则增加了绿弯菌门（Chloroflex）、蓝细菌门（Cyanobacteria）、疣微菌门（Verrucomicrobiota）和粘球菌门（Myxococcota）的数量。RBC更易于富集聚磷酸盐积累微生物（PAOs），如Pseudoxanthomonas和Dechloromonas，从而促进了微生物对磷的去除。此外，SBC上调了无机磷代谢相关基因的表达，而RBC则增加了参与磷运输和调节的基因表达，包括属于ABC转运蛋白系统的Pst、Phn、Ugp和Pit基因，以及属于双组分系统的K07637和K01113基因。生物炭还上调了糖原合成相关基因的表达，促进了生物膜的形成。
引言
磷（P）是维持生态系统功能（如植物生长和微生物代谢）所必需的营养物质[1]。它不仅在细胞膜、能量载体分子和遗传物质的形成中起着关键作用，还与代谢和代谢信号传导密切相关[2]。然而，农业应用的增加和城市工业排放导致废水处理厂（WWTPs）进水中的磷浓度升高，使得二次出水中的磷含量达到3–6 mg/L[3]，进一步加剧了生态系统的富营养化和水质恶化[3]。
人工湿地（CWs）是由基质、植物和微生物组成的生态系统，通过模拟自然湿地的结构和功能来去除各种污染物，从而净化水体[4]。作为一种能耗低、操作和管理相对简单的先进处理技术，CWs已被广泛用于去除有机物、氮、磷等污染物[5]。然而，由于颗粒截留、沉淀、生物膜形成和根系生长等因素，传统基质（如石英砂）在长期运行后可能会面临生物堵塞问题，从而导致系统稳定性下降和去除性能减弱[6]。先前的研究表明，由于堵塞，磷的去除率甚至可能降至10%以下[7]。同时，传统CWs在处理碳氮比（C/N）较低的WWTPs二次出水时也面临可持续除磷的挑战。
近年来，生物炭作为一种具有高比表面积和表面功能基团的多孔碳质材料，被提出作为改善CW填充物的措施[8]。研究表明，生物炭可以通过扩大物理孔隙、提高水力通道稳定性、提供生物膜附着位点以及通过表面吸附沉淀和离子交换来增强磷的去除和富集能力[9],[10]。从生物学角度来看，生物炭的添加可以促进植物生长并增加整个CW系统中的生物量，这归因于生物炭释放的无机盐（如K、P和Mg）[11]。其丰富的孔结构还提高了CW系统的溶解氧含量，创造了有利于根系生长和分枝数量增加的有氧环境[12]，从而增强了磷的吸收和利用。此外，生物炭改良还改善了CW系统中的微生物功能。生物炭的高比表面积和丰富的孔结构促进了微生物对各种营养物质的吸附，从而增强了CWs的净化性能[13],[14]。另外，生物炭通过调节电子传递过程影响了微生物活性，改变了微生物群落结构并丰富了相关功能细菌[13]。尽管生物炭在CW系统中得到了广泛应用，以提高运行性能，但主要关注的是通过生态调节改善氮的转化或通过物理化学方式增强磷的去除。
微生物代谢也与磷循环密切相关，生物炭的添加可以促进磷循环，从而提高CWs的整体生态稳定性。据报道，生物炭有助于富集一些聚磷酸盐积累微生物（PAOs），这有利于微生物对磷的转化[15],[16]。此外，生物炭改良还促进了生物膜的生长，刺激了微生物的磷代谢。作为微生物利用的主要形式，无机磷（IP）可以直接被细菌吸收和利用[17]。在基质中，磷酸盐溶解微生物能够通过分泌质子或生成有机阴离子来溶解IP[18]，这涉及IP溶解相关基因。同时，细菌也可能利用有机磷（OP），涉及OP代谢基因和磷运输及调节基因[19]。除了这些与磷转化相关的基因外，参与其他细胞间代谢的基因也与磷循环密切相关，如碳水化合物代谢和能量产生途径[20]，这些在具有不同生物炭改良的CW系统中值得进一步研究。
为了进一步研究，构建了添加了芦苇和污泥的CW系统，以比较其生态稳定性和磷去除性能，特别是关注微生物代谢的调节。本研究的目标是：(a) 比较添加芦苇和污泥的CWs在有机物和磷去除方面的改进效果；(b) 评估生物炭填充对CW生态系统生物因素的稳定性和减轻生物堵塞的潜力；(c) 探索添加生物炭的CWs中的磷循环，特别是从微生物代谢调节的角度。本研究旨在扩展关于提高生态稳定性、减轻生物堵塞风险、增强磷去除和调节基于生物炭的CW系统中磷利用途径的研究。
章节摘录
芦苇基生物炭的制备
为了实现材料循环和农业废弃物的再利用，本研究使用的芦苇来自中国南京的九龙湖湿地。收获的芦苇用去离子水冲洗后，在100°C下烘干24小时，然后进行缓慢热解以生产生物炭。干燥后的芦苇样品放入管式炉中，在500°C下热解，加热速率为10°C/min，停留时间为2小时。热解过程在限氧条件下进行
添加和未添加改良剂的CWs的运行性能
图2显示了实验运行过程中各组COD和TP的去除性能。总体而言，尽管各组的COD出水浓度在整个实验阶段有所波动，但总体上保持在较低水平（图2(a)）。值得注意的是，添加生物炭的组的COD去除性能优于传统的VSC系统，因为对照组的出水COD含量较高。平均而言，
结论
本研究显示，与传统的CW相比，RBC改良剂提高了COD和TP的去除率，并促进了植物光合色素的合成以及DHA和NP的活性。然而，SBC虽然提高了COD的去除率，但导致出水中的TP含量增加，这可能刺激了VSSB组中NP的活性。生物炭可以促进生物膜的生长并减轻生物堵塞风险，尤其是SBC，从而实现更稳定的运行。生物炭改变了微生物群落组成
CRediT作者贡献声明
唐明： 资金获取。史颖： 监督。高一仁： 写作 – 审稿与编辑。梁志水： 写作 – 审稿与编辑。徐进： 资金获取。姚家伟： 调查。钱秀文： 写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法学研究、调查、资金获取、数据分析、概念化。黄娟： 写作 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了以下机构的支持：国家自然科学基金（项目编号：52270152）、江苏省研究生研究与实践创新计划（项目编号：KYCX24_0435）、江西省流域生态过程与信息重点实验室（项目编号：2023SSY01052）以及江西省环境污染控制重点实验室的开放研究基金（项目编号：HJWRFZ-Z?2024–01）。
