研究背景

　　農(nóng)村生活污水處理對改善人居環(huán)境具有重要意義，但其治理過程涉及多個環(huán)節(jié)，構(gòu)成了一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。過去，受限于農(nóng)村經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱，缺乏物質(zhì)和制度支持，污水治理手段相對匱乏。然而，隨著脫貧攻堅(jiān)的勝利，我國農(nóng)村污水處理在一定程度上取得了進(jìn)展，但仍面臨管護(hù)機(jī)制不健全、設(shè)施建設(shè)和維護(hù)困難等挑戰(zhàn)。因此，迫切需要開發(fā)低能耗、易管理、有效的污水處理技術(shù)。傳統(tǒng)污水處理方式往往存在高能耗和高成本等問題，導(dǎo)致治理效果不盡如人意。人工濕地技術(shù)（CWs）因其低能耗、低成本和較好的處理效果，成為一種理想的處理方案。然而，由于廢水中碳負(fù)荷較高，人工濕地在去除營養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)物的過程中可能排放大量CO2，這不僅會加劇全球變暖問題，還可能降低其生態(tài)效益，進(jìn)而限制了人工濕地在污水處理中的廣泛應(yīng)用。

　　基于此，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)甄志磊老師團(tuán)隊(duì)以山西省運(yùn)城市的一個農(nóng)村生活污水處理廠為研究對象，提出了利用厭氧預(yù)處理與先進(jìn)人工濕地處理工藝相結(jié)合的農(nóng)村生活污水治理方式。研究成果發(fā)表于《Ecological Engineering》期刊。團(tuán)隊(duì)通過14個月的水質(zhì)監(jiān)測、CO2原位測定、高通量測序與植物生物量分析，研究了不同植物配置對污水中COD、氮磷等污染物的去除效率及CO2排放的影響。結(jié)果表明，景觀設(shè)計能夠提高植物多樣性，優(yōu)化污水處理能力，并促進(jìn)碳固定。該研究為農(nóng)村污水低碳處理技術(shù)的進(jìn)一步推廣和優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

圖1.厭氧池和人工濕地（CW1 和 CW2）。CW1：植物景觀設(shè)計；CW2：規(guī)則行種植設(shè)計。

　　研究方法

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)計：研究選取了山西省運(yùn)城市的一個農(nóng)村生活污水處理廠，采用人工濕地技術(shù)（CWs）與厭氧預(yù)處理的組合方式，設(shè)置了兩組實(shí)驗(yàn)：

　　CWs1：采用了景觀設(shè)計，植物配置靈感來源于“鯉魚跳龍門”的民間故事；

　　CWs2：采用了常規(guī)排列設(shè)計；

　　監(jiān)測指標(biāo)：污水中的COD、氨氮、總磷、總氮、DO、pH及CW基質(zhì)中CO2排放通量；

　　CW基質(zhì)中CO2排放通量采用PS-9000便攜式土壤碳通量自動測量系統(tǒng)（北京理加聯(lián)合科技有限公司）進(jìn)行監(jiān)測，該系統(tǒng)由紅外氣體分析儀和呼吸室組成。為排除植物光合作用干擾、純化基質(zhì)異養(yǎng)呼吸信號，所有測量均在暗室土環(huán)中進(jìn)行，采樣時段固定為每日9:00、15:30、20:00。監(jiān)測周期覆蓋2023年7月至12月及2024年5月至8月。同步記錄基質(zhì)層溫度數(shù)據(jù)，為準(zhǔn)確量化人工濕地基質(zhì)CO2排放的動態(tài)變化及其溫度敏感性提供可靠支撐；

圖2.植物含量及預(yù)處理工藝和人工濕地（CWs）對不同污染物的去除率。(a) COD含量及去除率。(b) NH4⁺-N含量及去除率。(c) TP含量及去除率。(d) TN含量及去除率。

圖3.人工濕地基質(zhì)層CO2通量。

圖4.基質(zhì)溫度與CO2通量的關(guān)系。

圖5.不同植物類型的固碳特征。

圖6.人工濕地（CW1 和 CW2）中屬水平的微生物組成。與以下方面相關(guān)的微生物：（a）氮去除，（b）磷去除，（c）COD去除，以及（d）CO2通量。

　　研究結(jié)果

　　?人工濕地（CWs1與CWs2）均有效去除了COD、氨氮、總磷和總氮，CWs1在去除總氮方面更佳；

　　?CWs1的基質(zhì)層CO2通量略高于CWs2，氣溫升高促進(jìn)微生物活性，從而增加CO2排放；

　　?植物碳固定能力：狼尾草> 美人蕉 > 花葉蘆竹 > 菖蒲 > 黃菖蒲；

　　?CWs1和CWs2中的微生物群落差異顯著，CWs1的微生物多樣性較高，有助于提高氮去除效率；

　　?季節(jié)性溫度變化對污染物去除效果和CO2排放有顯著影響，寒冷季節(jié)處理效率下降；

　　結(jié)語

　　本研究通過在山西省運(yùn)城市的污水處理設(shè)施中應(yīng)用人工濕地技術(shù)（CWs），結(jié)合景觀設(shè)計與厭氧預(yù)處理，探討了植物配置對污水處理效果和CO2通量的影響。結(jié)果表明，人工濕地能夠有效去除污染物，景觀設(shè)計增強(qiáng)植物多樣性，提高處理效率，尤其是在去除總氮方面表現(xiàn)更佳。研究還發(fā)現(xiàn)，溫度波動對處理效果和CO2排放有顯著影響，寒冷季節(jié)處理效果下降。該研究為低碳污水處理技術(shù)提供了寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。未來的研究可進(jìn)一步優(yōu)化植物配置，提升季節(jié)性穩(wěn)定性，探索適應(yīng)不同氣候條件的植物種類，并加強(qiáng)對CO2排放的長期監(jiān)測與管理，減少溫室氣體排放，從而實(shí)現(xiàn)更有效、低碳的污水處理技術(shù)。

　　發(fā)表期刊：Ecological Engineering【影響因子：4.1】

　　研究單位：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)

　　研究地點(diǎn)：山西省運(yùn)城市某農(nóng)村生活污水處理廠

　　使用設(shè)備：PS-9000便攜式土壤碳通量自動測量系統(tǒng)

　　DOI：https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2026.107906