活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭对两种湿地系统净化效率的影响

　　湿地系统在废水处理中扮演着重要角色，能够有效去除氮、磷等污染物。人工湿地(CWs)和自然沉积物湿地(SWs)是两种广泛应用的湿地类型，因其生态友好和成本效益而备受关注。活性炭以其高吸附性能被引入湿地系统，以提升污染物去除效率。本文基于一项研究，详细探讨了活性炭在CWs和SWs中的净化效率，特别是在低和高污染负荷下的表现，重点分析其对总磷(TP)、铵(NH4+)和硝酸盐(NO3-)的去除效果。

　　研究设计

　　研究涉及两种湿地系统：

　　人工湿地(CWs)：使用砾石基质并添加2千克活性炭，湿地高度70厘米，直径25厘米，种植8株菖蒲。

　　自然沉积物湿地(SWs)：使用自然沉积物基质并添加2千克活性炭，湿地尺寸为70厘米×50厘米×60厘米，种植24株菖蒲。

　　实验在两种污染负荷下进行：

　　低污染负荷：NH4+8mg/L，TP1mg/L，NO3-12mg/L。

　　高污染负荷：NH4+15mg/L，TP3mg/L，NO3-20mg/L。

　　研究通过测量TP、NH4+和NO3-的去除率，评估活性炭对湿地净化效率的影响，并分析其对微生物群落的作用机制。

　　低污染负荷下的净化效率

　　在低污染负荷条件下，活性炭在CWs和SWs中的表现差异显著，具体如下：

　　总磷(TP)去除：在活性炭中，TP去除率随时间呈对数下降趋势。然而，在ASW中，活性炭的添加限制了TP的去除，表明其在自然沉积物湿地中的磷吸附能力较弱。

　　铵(NH4+)去除：活性炭的NH4+去除率为84.90%，显著高于ASW的77.88%，显示CWs在氮污染物去除方面的优越性。

　　硝酸盐(NO3-)去除：活性炭的NO3-去除率为66.79%，远高于ASW的33.13%，表明活性炭在CWs中对硝酸盐的去除效果更佳。

　　图1：活性炭在低污染下的净化效率。

　　高污染负荷下的净化效率

　　在高污染负荷条件下，活性炭在CWs中的表现依然优于SWs，具体数据如下：

　　总磷(TP)去除：活性炭的TP去除率为91.93%，但低于未添加活性炭的CWs(97.18%)。在SWs中，ASW的TP去除率为70.79%，低于未添加活性炭的SWs(75.97%)，表明活性炭在SWs中限制了TP的去除。

　　铵(NH4+)去除：活性炭的NH4+去除率为89.84%，显著高于ASW的58.53%，显示出CWs在高负荷下对氮污染物的优异处理能力。

　　硝酸盐(NO3-)去除：活性炭的NO3-去除率稳定在75.94%，而ASW仅为8.08%，表明活性炭在SWs中的NO3-去除效果较差。

　　图2：活性炭在高污染下的净化效率。

　　微生物影响

　　活性炭的添加对湿地系统的微生物群落产生了显著影响。在活性炭中，微生物多样性和丰富度低于未添加活性炭的CWs。然而，活性炭显示出较高的化学异养代谢和硝酸盐还原代谢，这可能有助于其在NH4+和NO3-去除方面的高效表现。研究发现，ACW中变形菌门(Proteobacteria)占比最高(43%为Thauera属)，这可能与氮污染物的高去除率相关。

　　作用机制

　　活性炭在CWs和SWs中的净化效果差异主要源于其物理和化学特性：

　　自然沉积物湿地(SWs)：活性炭的表面电荷和孔隙结构不适合磷吸附，导致TP去除受限。此外，活性炭影响了SWs中的微生物丰度和水体pH稳定性，可能进一步降低了净化效率。

　　人工湿地(CWs)：活性炭通过支持反硝化细菌或提供生物膜形成表面，显著增强了高污染负荷下NO3-的去除效率。

　　统计分析显示，污染负荷与湿地类型之间存在显著交互作用，对氮和磷的去除效率产生重要影响。

　　活性炭对两种湿地系统净化效率的影响研究表明，活性炭在人工湿地(CWs)中对氮污染物(如NH4+和NO3-)的去除效果显著，特别是在高污染负荷下。然而，在自然沉积物湿地(SWs)中，活性炭可能限制TP的去除，并对微生物群落产生负面影响。因此，在实际应用中，应根据湿地类型和目标污染物选择性地使用活性炭，以优化净化效率。

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