在全球水污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻的當(dāng)下，污水處理廠尾水的凈化成為環(huán)保領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。人工濕地作為一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的污水處理技術(shù)，備受關(guān)注。然而，當(dāng)污水中碳氮比（C/N）較低時(shí)，人工濕地的脫氮效率會(huì)大打折扣，導(dǎo)致總氮去除效果不佳，難以滿(mǎn)足嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而對(duì)水環(huán)境造成污染。近期，一項(xiàng)發(fā)表于《Engineering》的研究成果為這一難題帶來(lái)了新的解決方案。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了傳統(tǒng)人工濕地（對(duì)照組）、添加生物炭（BC）的人工濕地以及添加 β- 環(huán)糊精功能化生物炭（BC@β-CD）的人工濕地系統(tǒng)，探究其在處理低碳氮比污水時(shí)的脫氮效果及作用機(jī)制。結(jié)果令人驚喜：在低碳氮比條件下，BC@β-CD 展現(xiàn)出了卓越的性能。當(dāng)碳氮比從 4 降至 2 時(shí)，BC@β-CD 組的總氮去除率比對(duì)照組分別高出 45.89% 和 42.48% ，同時(shí)氧化亞氮的釋放量顯著降低，降幅分別達(dá)到 70.57% 和 85.45%。

那么，BC@β-CD 是如何做到的呢？從微觀層面來(lái)看，它改變了人工濕地中微生物的代謝方式。研究人員通過(guò)宏基因組和酶學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，BC@β-CD 并不會(huì)改變微生物群落的多樣性，但能協(xié)同促進(jìn)碳代謝。在污水處理過(guò)程中，微生物主要通過(guò)糖酵解（EMP）途徑和三羧酸（TCA）循環(huán)來(lái)代謝葡萄糖，產(chǎn)生電子供體和能量載體。BC@β-CD 使得參與這些過(guò)程的相關(guān)基因豐度增加，促進(jìn)了葡萄糖的代謝，從而為反硝化反應(yīng)提供了更多的電子和能量。

電子的產(chǎn)生和傳遞對(duì)于反硝化過(guò)程至關(guān)重要。BC@β-CD 能夠提高煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）脫氫酶和電子傳遞系統(tǒng)（ETS）的活性，促進(jìn)電子的生成和傳遞。這樣一來(lái)，在碳源相對(duì)不足的低碳氮比環(huán)境下，反硝化反應(yīng)仍能獲得足夠的電子，從而順利進(jìn)行。而且，BC@β-CD 還能重新分配碳代謝流，讓更多的碳代謝產(chǎn)物用于支持反硝化作用，提高了碳源的利用效率。

通過(guò)結(jié)構(gòu)方程模型分析，研究人員進(jìn)一步揭示了 BC@β-CD 增強(qiáng)低碳氮比條件下脫氮效果的核心策略。在不同的碳氮比階段，BC@β-CD 系統(tǒng)都傾向于將更多的碳代謝分配到反硝化過(guò)程中。當(dāng)碳氮比較高時(shí)，碳代謝支持反硝化的比例對(duì)脫氮率影響最為顯著；而當(dāng)碳氮比降低時(shí)，微生物則更依賴(lài)增強(qiáng) NADH 脫氫酶的活性來(lái)促進(jìn)底物代謝轉(zhuǎn)化為電子，以支持反硝化反應(yīng)。

這一研究成果具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)人工濕地在處理低碳氮比污水時(shí)，大量硝酸鹽難以去除，會(huì)隨出水進(jìn)入水環(huán)境，引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化。同時(shí)，脫氮過(guò)程中產(chǎn)生的氧化亞氮是一種強(qiáng)效溫室氣體，其排放增加會(huì)加劇全球變暖。而 BC@β-CD 的應(yīng)用，大幅提升了人工濕地對(duì)低碳氮比污水的脫氮效率，顯著減少了氧化亞氮的排放。雖然目前仍無(wú)法完全去除硝酸鹽，但為深度處理低碳氮比污水提供了新方向。例如，可以利用植物根系分泌物作為補(bǔ)充碳源，或者發(fā)揮自養(yǎng)微生物的反硝化能力，進(jìn)一步去除水中殘留的硝酸鹽。

這項(xiàng)研究為解決人工濕地在低碳氮比條件下的脫氮難題提供了有效途徑，有望推動(dòng)污水處理技術(shù)的發(fā)展，助力實(shí)現(xiàn)更高效、更環(huán)保的污水處理目標(biāo)，讓我們離清潔水環(huán)境的目標(biāo)更近一步。

來(lái)源: Engineering