在人工湿地中利用废弃物和潮汐流动：高效处理含有染料和表面活性剂的废水

潮汐流湿地系统通过混合基质（海壳、陶瓷砖碎片和沙3:1:1比例）高效去除合成废水中的酸性红18（100%）和 LAS（90.6%），COD去除率达88.7%，氨氮去除率73.97%。系统通过周期性淹没和排水创造氧还原分层，促进微生物群落（氨氧化菌增殖3个数量级，脱氮菌达1.1×10^8）对氮磷及有机物的协同降解，红树林增强氧传递。电导率和溶解氧动态显示基质层离子交换与生物耗氧特性。本研究验证了潮汐流湿地处理复合污染物的潜力，为资源受限地区提供可持续方案。

　　
本研究聚焦于利用潮汐流人工湿地（TFCWs）处理含酸红18（Acid Red 18, AR18）染料和直链烷基苯磺酸钠（LAS）的合成废水，通过创新性复合基质设计探讨其净化效能及作用机制。研究团队在巴西若塞亚瑟亚圣玛利亚联邦理工学院的实验基地，构建了由海贝壳、陶瓷碎块和砂土以体积比3:1:1分层组成的处理系统，并采用96小时进水-72小时排水周期运行133天。该系统展现出对有机物、氮磷营养盐及新兴污染物的协同高效去除能力，为复杂污水治理提供了新思路。

### 一、技术路线与系统设计
研究采用分层基质结构（海贝壳30%、陶瓷碎块30%、砂土40%）以实现物理截留与化学吸附的协同作用。海贝壳富含碳酸钙，提供碱性缓冲；陶瓷碎块含有铝铁氧化物，强化吸附能力；砂土则形成高孔隙率的生物膜载体。潮汐流操作通过周期性水位变化（0.18m3/次）形成动态水力梯度，配合每周一次的进水周期，确保系统在有限体积下实现稳定运行。

在微生物监测方面，研究创新性地结合最可能数（MPN）与平板计数法，通过三阶段采样（运行初期、中期、后期）追踪氨氧化菌（AOB）、亚硝酸盐氧化菌（NOB）、反硝化菌及异养菌的动态变化。实验室模拟显示，系统在适应期（28天）成功建立微生物群落基础，成熟期（133天）异养菌数量达2.19×1011 CFU/100mL，形成以有机降解为核心的生物膜系统。

### 二、污染物去除效能分析
1. **有机物与染料去除**
系统对化学需氧量（COD）实现88.73%的平均去除率，其中AR18染料100%降解，LAS去除率达90.62%。这种高效净化源于三重作用机制：
- **物理截留**：陶瓷碎片与贝壳层形成多级过滤结构，截留悬浮物效率达74.78%
- **化学吸附**：海贝壳的碳酸钙缓冲体系维持pH稳定（6.5-7.0），陶瓷的铝铁氧化物表面吸附 LAS和染料分子
- **生物降解**：异养菌通过β-氧化途径分解LAS长链，完成AR18的偶氮键断裂与芳香胺转化

2. **氮磷营养盐处理**
- **氨氮去除**：73.97%的平均去除效率，通过AOB的氨氧化（NH4+→NO2?→NO3?）和反硝化（NO3?→N2O→N2）双重路径实现
- **硝酸盐控制**：61.42%去除率，维持系统低亚硝酸盐浓度（<1mg/L）
- **磷去除**：55.7%的磷截留效率，主要归因于贝壳层（CaCO3）与陶瓷层（Al2O3）的磷酸盐沉淀作用

3. **新兴污染物协同治理**
研究证实，在COD浓度高达1166mg/L的进水条件下，AR18和LAS未对微生物产生抑制效应。潮汐周期通过氧转移（进水期溶解氧0.86-1.46mg/L，排水期回升至2.15-3.0mg/L）维持微生物活性，促进染料中间产物的矿化。

### 三、微生物生态与功能分区
1. **群落结构演变**
- **适应期（0-28天）**：异养菌迅速增殖（从2.5×10?→1.7×1011 CFU/100mL），形成有机质降解的主体
- **稳定期（28-133天）**：氨氧化菌（AOB）数量达3.3×10? NMP/100mL，反硝化菌（1.1×10? NMP/100mL）与异养菌协同作用
- **特殊现象**：亚硝酸盐氧化菌（NOB）仅在133天后期被检出（68 NMP/100mL），表明系统存在"隐性"硝化过程

2. **功能分区特征**
- **砂土层（表层0-0.1m）**：高氧环境（DO 1.46-2.15mg/L）促进AOB增殖，pH均值6.83±0.13
- **贝壳层（0.1-0.2m）**：厌氧-兼性环境（ORP -211至-297mV），pH下降4.48%显示CaCO3溶解
- **陶瓷层（0.2-0.5m）**：强还原环境（ORP -220至-293mV），EC上升17.8%反映FeAl氧化物溶解

3. **微生物代谢网络**
研究揭示典型CW处理系统的三阶段代谢路径：
1) 有机物降解阶段：异养菌（如Pseudomonas）主导COD去除（88.7%）
2) 氨氮转化阶段：AOB完成NH4+→NO3?转化（73.97%去除率）
3) 硝态氮还原阶段：反硝化菌利用有机碳将NO3?→N2（未检测到NOB说明存在替代途径）

### 四、关键机制解析
1. **潮汐流强化机制**
周期性水位变化（96h进水+72h排水）产生"潮汐呼吸"效应：进水期（低氧环境）促进反硝化菌增殖，排水期（高氧环境）重启AOB活性。这种动态调节使系统在COD负荷高达1166mg/L时仍维持稳定运行。

2. **复合基质协同作用**
- **海贝壳**：提供CaCO3缓冲层（pH波动<0.5），抑制酸化进程，同时其多孔结构（孔隙率62%）形成生物膜附着界面
- **陶瓷碎块**：表面含Al2?、Fe3?等高价态离子（CEC值达25cmol/kg），增强对LAS（阴离子表面活性剂）的静电吸附
- **砂土层**：粒径0.042-0.2mm级配形成过滤屏障，表面电荷正电性（Zeta电位+30mV）促进阴离子污染物截留

3. **氧化还原梯度驱动**
ORP监测显示（-297至+123mV）形成三级氧化还原分区：
- **表层（砂土）**：氧化区（ORP>0mV），AOB活性主导
- **中层（贝壳）**：兼性区（ORP-100至+100mV），异养菌与AOB共存
- **底层（陶瓷）**：还原区（ORP<-100mV），反硝化菌主导

这种梯度结构使系统实现氮素"分段处理"：表层完成氨氧化，中层进行硝酸盐积累，底层实现硝态氮还原，总氮去除率达75%以上。

### 五、技术经济性与推广价值
1. **运行成本优势**
相比传统活性污泥法（MLSS>10000mg/L），本系统通过自然曝气（潮汐排水时DO回升至1.5-2.0mg/L）降低曝气能耗，同时复合基质无需额外添加化学调理剂。

2. **抗冲击能力验证**
在适应期逐步提升进水浓度（COD从1166→100%负荷），系统仍保持COD去除率>85%、氨氮>70%的稳定表现，证实其应对真实污水负荷的鲁棒性。

3. **资源化潜力**
处理后的出水COD<170mg/L（低于巴西200mg/L排放标准），总悬浮物（TSS）<28mg/L，经简单过滤可直接用于景观灌溉或农田施肥，实现水-土资源循环。

### 六、研究展望与局限性
1. **微生物机制深化**
需通过宏基因组测序（如16S rRNA）明确优势菌群，特别是未检出的NOB（可能以共生菌形式存在）的作用机制。

2. **长期稳定性验证**
建议延长运行周期至6个月以上，监测生物膜更新频率（当前研究周期仅133天）和基质溶解度变化。

3. **实际场景适配**
需开展中试试验（如1m2处理单元），验证在真实污水（如印染废水）中的性能衰减情况，特别是高浓度 LAS（>30mg/L）的抑制效应。

本研究为人工湿地技术升级提供了重要参考：通过基质层级设计（贝壳缓冲层-陶瓷吸附层-砂土支撑层）和潮汐流控，可在有限空间内实现复杂污染物的多级处理。其核心价值在于证明了传统湿地技术（砂土基质）与新兴材料（海贝壳、陶瓷碎块）的有机整合，为发展中国家解决污水回用问题提供了可复制的技术方案。后续研究应着重于生物膜定量化分析及材料耐久性测试，以推动工程化应用。