活性炭對兩種濕地系統凈化效率的影響

　　濕地系統在廢水處理中扮演著重要角色，能夠有效去除氮、磷等污染物。人工濕地(CWs)和自然沉積物濕地(SWs)是兩種廣泛應用的濕地類型，因其生態友好和成本效益而備受關注。活性炭以其高吸附性能被引入濕地系統，以提升污染物去除效率。本文基于一項研究，詳細探討了活性炭在CWs和SWs中的凈化效率，特別是在低和高污染負荷下的表現，重點分析其對總磷(TP)、銨(NH4+)和硝酸鹽(NO3-)的去除效果。

　　研究設計

　　研究涉及兩種濕地系統：

　　人工濕地(CWs)：使用礫石基質并添加2千克活性炭，濕地高度70厘米，直徑25厘米，種植8株菖蒲。

　　自然沉積物濕地(SWs)：使用自然沉積物基質并添加2千克活性炭，濕地尺寸為70厘米×50厘米×60厘米，種植24株菖蒲。

　　實驗在兩種污染負荷下進行：

　　低污染負荷：NH4+8mg/L，TP1mg/L，NO3-12mg/L。

　　高污染負荷：NH4+15mg/L，TP3mg/L，NO3-20mg/L。

　　研究通過測量TP、NH4+和NO3-的去除率，評估活性炭對濕地凈化效率的影響，并分析其對微生物群落的作用機制。

　　低污染負荷下的凈化效率

　　在低污染負荷條件下，活性炭在CWs和SWs中的表現差異顯著，具體如下：

　　總磷(TP)去除：在活性炭中，TP去除率隨時間呈對數下降趨勢。然而，在ASW中，活性炭的添加限制了TP的去除，表明其在自然沉積物濕地中的磷吸附能力較弱。

　　銨(NH4+)去除：活性炭的NH4+去除率為84.90%，顯著高于ASW的77.88%，顯示CWs在氮污染物去除方面的優越性。

　　硝酸鹽(NO3-)去除：活性炭的NO3-去除率為66.79%，遠高于ASW的33.13%，表明活性炭在CWs中對硝酸鹽的去除效果更佳。

　　圖1：活性炭在低污染下的凈化效率。

　　高污染負荷下的凈化效率

　　在高污染負荷條件下，活性炭在CWs中的表現依然優于SWs，具體數據如下：

　　總磷(TP)去除：活性炭的TP去除率為91.93%，但低于未添加活性炭的CWs(97.18%)。在SWs中，ASW的TP去除率為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。

　　銨(NH4+)去除：活性炭的NH4+去除率為89.84%，顯著高于ASW的58.53%，顯示出CWs在高負荷下對氮污染物的優異處理能力。

　　硝酸鹽(NO3-)去除：活性炭的NO3-去除率穩定在75.94%，而ASW僅為8.08%，表明活性炭在SWs中的NO3-去除效果較差。

　　圖2：活性炭在高污染下的凈化效率。

　　微生物影響

　　活性炭的添加對濕地系統的微生物群落產生了顯著影響。在活性炭中，微生物多樣性和豐富度低于未添加活性炭的CWs。然而，活性炭顯示出較高的化學異養代謝和硝酸鹽還原代謝，這可能有助于其在NH4+和NO3-去除方面的高效表現。研究發現，ACW中變形菌門(Proteobacteria)占比最高(43%為Thauera屬)，這可能與氮污染物的高去除率相關。

　　作用機制

　　活性炭在CWs和SWs中的凈化效果差異主要源于其物理和化學特性：

　　自然沉積物濕地(SWs)：活性炭的表面電荷和孔隙結構不適合磷吸附，導致TP去除受限。此外，活性炭影響了SWs中的微生物豐度和水體pH穩定性，可能進一步降低了凈化效率。

　　人工濕地(CWs)：活性炭通過支持反硝化細菌或提供生物膜形成表面，顯著增強了高污染負荷下NO3-的去除效率。

　　統計分析顯示，污染負荷與濕地類型之間存在顯著交互作用，對氮和磷的去除效率產生重要影響。

　　活性炭對兩種濕地系統凈化效率的影響研究表明，活性炭在人工濕地(CWs)中對氮污染物(如NH4+和NO3-)的去除效果顯著，特別是在高污染負荷下。然而，在自然沉積物濕地(SWs)中，活性炭可能限制TP的去除，并對微生物群落產生負面影響。因此，在實際應用中，應根據濕地類型和目標污染物選擇性地使用活性炭，以優化凈化效率。

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