生物炭填料人工湿地在自生微电场作用下污染物质的移动及累积机制

Wastewater treatment can be achieved in constructed wetland by triple synergistic effect of filler, plant and microbiological. The fillers clogging and the disposal of the excess plants are drawbacks of this method. Based on the mechanism analysis of clogging process, a constructed wetland and bioelectrochemical coupling system will be design and constructed with biochar filler cathode made by plants absorbing N and P. The microorganisms in the anode will consume organic matter in the substrate and release electrons and protons. The micro electric field inside the system can affect the movement of the anion, cationic, negatively charged suspended substance and bacteria, and changes their original possible trajectory. Based on the analysis of redox potential, pollutant morphology, microbial growth and the filler porosity in the different parts of the system, the describe about the formation of microbial film, the deposition of suspended substance and the accumulation of extracellular polymer on the surface of the filler will be finished. When micro electric field impact, the substance migration and accumulation mechanism at the interfaces of the fillers will be expounded, and the range of the filler area affected by the micro electric field will be estimated. We look forward to provide theoretical support and basic data for alleviating the fillers clogging of constructed wetland using bioelectrochemical principle without consuming external resources, and achieve the utilization of sewage resources.

人工湿地法利用填料基质、植物、微生物的三重协同作用净化污水，过剩植物的不当处置和填料堵塞问题是该方法的弊端。本课题基于填料堵塞过程的发生机理，从湿地植物资源化利用的角度，使用沉水植物吸收N、P开发自掺杂生物炭阴极填料，设计并构建人工湿地-生物电化学耦合系统。利用阳极产电菌消耗污水中的有机质并释放电子和质子，系统内自生的微小电场影响填料界面间带电阴阳离子、带负电荷的悬浮物和细菌的移动，改变其原有的移动规律。基于对系统不同部位氧化还原电位、污染物形态、微生物生长和填料孔隙率变化的分析，描述填料表面的微生物成膜、悬浮物沉积和胞外聚合物积累的情况，阐明受到微小电场影响时，填料界面上的物质迁移和累积机制，评估受到微电场影响的填料区域范围，为使用生物电化学原理缓解人工湿地填料堵塞情况提供理论和基础数据支持，寻求一种不消耗外部资源而降低填料堵塞污染的解决方案，实现污水资源的有效利用。

人工湿地运行过程中，水中的部分污染物被植物和微生物吸收降解，部分污染物被填料截留。随着人工湿地的运行，被截留的污染物质会在填料的孔隙里累积，影响处理效果。现有的缓解人工湿地填料污染的方法，包括进水预处理、定期更换填料、补充曝气等，但都会增加运行成本，本研究构建了人工湿地与微生物燃料电池的耦合系统（CW-MFC），证实了利用生物电化学原理不消耗外部能源降低填料污染的可行性。.本研究利用湿地植物为前体制备生物炭，优化了生物炭电极的制备方法。使用砾石或活性炭为人工湿地填料，芦苇制备的生物炭电极或碳板电极，采用连续升流或间歇式进水，研究了CW-MFC的产电性能和COD、TN和TP的去除效果和系统填料的污染情况，并与普通的人工湿地数据进行了对比。结果表明，间歇式进水的砾石CW-MFC和生物炭阴极CW-MFC的最大功率密度较高，分别可达到106 mW/m2和11.5 mW/m2。CW-MFC反应器中COD的去除率在71%~84%之间，TP的去除率在52%~80%之间，TN的去除率在59%~70%之间。连续升流式进水的活性炭和砾石CW-MFC底层填料的污染程度较CW底层填料污染程度减轻，说明填料中污染物质受到了生物电化学体系的影响发生了迁移，改变了污染分布状况。污染分布改变的原因有两方面，一是钛网收集电子，与底层填料中带有负电荷的悬浮颗粒和微生物发生排斥使它们发生了迁移，减轻了CW-MFC底层填料的污染程度。另一个方面是在底层填料中发生了双电子还原反应，产生了过氧化氢。本研究还在米级尺度上构建了CW-MFC，在放大的CW-MFC反应器内证实填料内生物量的累积少，整体污染程度较CW轻，并且CW-MFC反应器阳极微生物的多样性和丰富度要高于CW反应器。本研究开发了一种不消耗外部资源而降低填料孔隙污染的方法，实现了污水处理过程的资源化与有效利用。