综述：低C/N比人工湿地的多维度优化策略：限制因素、优化技术及未来展望

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Multi-dimensional enhancement strategies for low-C/N constructed wetlands: limiting factors, optimization technologies and future perspectives

　　

Jiawen Dong|Ning Zhang|Hui Yang|Luodan Zhang|Ming Zhou|Longji Xia|Xuefeng Wei

河南科技大学化学与化工学院环境工程系，中国河南洛阳471000

摘要

在处理碳氮比较低的废水时，人工湿地往往具有较低的氮去除效率。这一缺陷主要源于电子供体不足、碳的生物可利用性受限、传统底物的物理化学限制、功能性微生物的保留与栖息地支持方面的制约，以及氧传输问题和氧化还原冲突。本综述的创新之处在于构建了一个以限制因素为导向的框架，将这些挑战与相应的调控策略直接联系起来。具体而言：（1）材料调控通过补充碳源来缓解电子供体不足和碳的生物可利用性限制，同时通过使用新型底物（如Fe⁰、S⁰、Fe-S和Fe-C）克服传统底物的物理化学限制。（2）生物调控通过微生物群落调控（包括生物强化、固定化以及藻菌共生）以及植物介导的根际调控，来解决功能性微生物的保留与栖息地支持问题。（3）工艺优化则通过氧环境调控（如间歇曝气、潮汐流和挡板流）以及构建集成耦合湿地系统（如多级串联和生物电化学人工湿地），来突破氧传输瓶颈和时空氧化还原冲突。总之，未来的研究应优先采用材料调控、生物调控和工艺优化相结合的综合方法，以提高人工湿地在处理低碳氮比废水时的长期稳定性和有效性。

引言

全球城市化的快速发展以及工业活动的加剧导致了过量的氮排放。这些氮排放引发了水体富营养化现象，已成为威胁水生生态系统的重大环境问题[1]、[2]。在城市污水处理厂的处理水中，碳氮比通常低于3–5，这一特征也存在于石油化工和制药行业等特定工业废水以及农业径流中[3]、[4]。这类废水缺乏足够的有机碳源，从而打破了传统生物脱氮过程中碳和氮代谢的化学计量平衡。因此，实现深度脱氮仍是水处理领域面临的普遍挑战[5]。

人工湿地是一种模拟自然生态系统的生态处理系统，由于其能耗低且具有良好的生态景观效益，被广泛用于各类废水的处理和资源回收[6]、[7]。然而，传统人工湿地在处理低碳氮比废水时往往面临严重的处理效率问题。这一性能限制源于进水水质的特点以及湿地结构的限制。首先，异养反硝化过程严重依赖有机碳作为电子供体，而原水中碳源的匮乏直接限制了硝酸盐的还原速率，从而导致总氮去除效率下降[8]、[9]。其次，传统底物如砾石和陶粒具有有限的比表面积且缺乏活性位点，这些物理特性使得难以维持高丰度的功能性微生物群落[10]、[11]。更为关键的是，湿地系统内的氧化还原环境调控存在普遍的矛盾——硝化细菌需要好氧条件，而反硝化细菌则需要厌氧条件。传统湿地主要依靠自然复氧，但该过程的氧传输效率较低且分布不均，因此在同一环境中构建适宜的微环境梯度十分困难[12]。

为克服上述技术限制，研究人员近年来致力于从多个层面提升人工湿地的处理性能[13]。我们将这些提升策略归纳为三种方法：材料调控、生物调控和工艺优化。工艺优化包括操作控制以及系统层面的设计优化（如多级串联和耦合系统）[14]。在材料调控方面，人们会引入外部碳源，包括传统的化学碳源以及来自工业和农业废物的缓释碳源[15]、[16]、[17]；此外，还引入了零价铁和黄铁矿等新型电子供体底物[18]、[19]、[20]。这些策略旨在通过异养或自养途径（如硫驱动或氢驱动的自养作用）来弥补电子供体的不足。在工艺优化方面，则通过间歇曝气、潮汐流运行以及带挡板的流道结构设计，实现对溶解氧的精准时空调控[21]、[22]，从而促进高效的新型脱氮途径的产生，例如同步硝化反硝化技术和厌氧氨氧化技术[23]、[24]。与此同时，基于微生物学的定向生物强化以及植物介导的根际调控也为解决这一问题提供了新的思路，这些策略有助于重塑湿地的微生态结构[25]、[26]。此外，作为一种以系统设计为导向的工艺优化方式，多级湿地串联系统也被广泛应用，该方法能够形成空间上逐级递进的氧化还原环境分布。另外，生物电化学人工湿地通过引入电极作为非生物电子供体或受体[27]，提升了微生物的胞外电子传递效率，进而显著提高了低碳氮比条件下的反硝化性能。

在提升人工湿地脱氮性能的研究方面已经取得了显著进展[28]，但现有的综述大多仅列举了各种单独的增强技术，往往分别讨论碳源补充、微生物调控或工艺优化等内容。针对低碳氮比这一复合限制条件进行系统性分析的研究仍然较少[29]。在低碳氮比系统中，存在着电子供体不足、碳的生物可利用性受限、传统底物的物理化学限制、功能性微生物的保留与栖息地支持方面的制约，以及氧传输瓶颈和氧化还原冲突等问题，而这些限制因素与相应调控策略之间的关联尚未得到充分阐明。因此，本综述首先分析了处理低碳氮比废水时的四大关键限制因素，然后根据这些限制因素所对应的核心问题对提升策略进行了分类。通过这种限制因素与调控策略之间的对应关系，构建了一个以材料调控、生物调控和工艺优化为基础的三类分析框架，为人工湿地中合理选择和组合调控策略提供了更清晰的依据。

章节摘录

电子供体不足与碳的生物可利用性受限

在人工湿地系统中，有机碳是异养微生物生长所需的主要能量来源，同时也是驱动反硝化和同步除磷等重要生物过程的核心电子供体[28]、[30]。然而，在城市污水处理厂的第二段出水以及石油化工、化学和制药等行业产生的工业废水中，碳元素往往严重不足，化学需氧量

用于解决电子供体不足的材料调控方法

材料调控旨在缓解低碳氮比人工湿地中氮去除过程中的电子供体短缺问题，并提升底物的功能性能。该策略主要包括碳源补充和新型底物的引入。碳源补充主要是通过提供有机碳来促进异养反硝化作用，而新型底物则通过提供无机电子及界面电子转移，支持自养或混合营养型的氮转化过程。二者结合使用

结论

在低碳氮比的人工湿地中，氮去除主要受到四类相互关联的限制因素的制约：电子供体供应不足和碳的生物可利用性受限、传统底物的物理化学限制、功能性微生物的保留与栖息地支持方面的制约，以及氧传输瓶颈与氧化还原冲突。针对这些限制因素，本综述中介绍的增强策略可分为三类：材料调控

CRediT作者贡献说明

Ning Zhang：撰写——综述与编辑、监督、研究、概念构思。Jiawen Dong：撰写——初稿、可视化、方法学、研究、正式分析。Ming Zhou：撰写——综述与编辑、研究。Longji Xia：研究。Hui Yang：研究。Luodan Zhang：研究。Xuefeng Wei：撰写——综述与编辑、监督、资源协调、项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了河南省重点研发计划项目（261111321300）的支持。