基于银胶菊生物炭的垂直流人工湿地：一种处理乳业废水的绿色技术

《Cleaner Water》：Vertical Flow Constructed Wetlands with Parthenium hysterophorous biochar: A Nature-Based Solution for Dairy Effluent Treatment

本研究针对乳业废水有机负荷高、传统处理技术成本高且效率有限的问题，开发了以入侵植物银胶菊制备的生物炭作为基质改良剂的垂直流人工湿地（VFCW）系统，并种植美人蕉（Canna indica）和芦苇（Phragmites australis）。结果表明，该系统在72小时水力停留时间（HRT）下对BOD、COD、NO3-和PO43-的去除率分别高达95%、99%、97%和76%，显著优于对照组，证实了该技术作为一种经济高效、可持续的乳业废水处理方案的巨大潜力。

　　

乳制品行业是全球重要的食品工业之一，但随之而来的是大量高浓度有机废水的产生。这些废水富含蛋白质、脂肪、碳水化合物等有机物，以及氮、磷等营养盐，其生化需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）浓度极高，若不经有效处理直接排放，会对水体生态系统造成严重破坏，如消耗水中溶解氧、导致水体富营养化、威胁水生生物生存等。传统的废水处理方法，如活性污泥法、化学处理等，虽然在一定程度上有处理效果，但往往面临成本高昂、能耗大、可能产生二次污染、对高浓度废水处理效率有限等挑战。因此，开发经济、高效、环境友好的替代处理技术迫在眉睫。

在此背景下，人工湿地（Constructed Wetlands, CWs）技术应运而生。这种技术模仿自然湿地生态系统，利用植物、基质和微生物的协同作用来净化污水，具有投资运行成本低、维护简单、环境效益好等优点，被视为一种有前景的可持续废水处理方案。其中，垂直流人工湿地（Vertical Flow Constructed Wetlands, VFCWs）因其复氧能力强、占地面积相对较小等特点而受到关注。然而，传统人工湿地对某些污染物，特别是氮、磷的去除效率有时不够稳定，且处理高强度工业废水（如乳业废水）的能力有待进一步提高。

为了提升人工湿地的性能，研究人员尝试引入各种改良材料，生物炭（Biochar）就是其中之一。生物炭是由生物质在缺氧条件下热解产生的富碳材料，具有巨大的比表面积、丰富的孔隙结构和表面官能团，能有效吸附污染物，并为微生物生长提供良好的栖息地。但选择何种原料制备生物炭，既能增强湿地功能，又能体现“以废治废”的循环经济理念，是一个值得探索的方向。入侵植物银胶菊（Parthenium hysterophorus）是一种全球性的恶性杂草，繁殖力强，对生态环境和农业造成危害。将其转化为生物炭用于废水处理，可谓一举两得：既控制了入侵物种，又为废水处理提供了廉价高效的材料。

来自印度 Guru Jambheshwar 科学技术大学环境科学与工程系的 Surender Singh、Anita Singh Kirrolia 和 Narsi Ram Bishnoi 的研究团队，在《Cleaner Water》上发表了一项研究，他们创新性地将银胶菊生物炭作为基质改良剂引入垂直流人工湿地，并系统评估了该系统对真实乳业废水的处理效果。这项研究旨在回答几个关键问题：银胶菊生物炭的理化特性如何？将其与常见湿地植物（芦苇和美人蕉）结合，能否显著提升VFCWs对乳业废水中关键污染物（BOD、COD、NO₃^-、PO₄^3-）的去除效率？其背后的净化机制是什么？

为了回答这些问题，研究人员开展了一系列实验。关键技术方法包括：首先，采集银胶菊叶片，经过清洗、干燥、研磨后，在250°C下于马弗炉中缺氧热解60分钟制备生物炭。随后，对制备的生物炭进行了详细的表征，包括使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观察其微观形貌和孔隙结构，利用能量色散X射线光谱（EDS）分析其元素组成，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）鉴定其表面官能团，并采用X射线衍射（XRD）分析其晶体结构。其次，建立了实验室规模的VFCW系统，使用塑料容器填充卵石、碎石和沙作为基质层，并设置了三个处理组：不添加植物和生物炭的对照组（VFCW-A）、添加银胶菊生物炭并种植芦苇的处理组（VFCW-B）、以及添加银胶菊生物炭并种植美人蕉的处理组（VFCW-C）。废水来源于印度哈利亚纳邦希萨尔一家有组织的乳品厂的排放口。系统在批次模式下运行，水力停留时间（HRT）设置为24、48和72小时，在不同时间点采集出水样品，分析BOD、COD、NO₃^-和PO₄^3-的浓度变化，计算去除效率（RE%）和去除速率（RR）。

生物炭表征结果

对银胶菊生物炭的表征揭示了其作为优良湿地基质改良剂的潜力。FE-SEM图像显示生物炭表面具有复杂的孔隙网络，包含大孔（2-10 μm）和大量更小的孔隙及裂隙。这种多级孔隙结构有利于污染物的快速传输（大孔）和吸附（小孔提供巨大的活性表面积）。EDS分析表明生物炭主要由碳（~85.5%）和氧（~10.5%）组成，并含有微量的硅、镁、氯、钾、钙和铁等矿物元素，这些元素有助于增强表面反应性和阳离子交换容量。FTIR光谱检测到生物炭表面存在羟基（-OH）、C-H键、羰基（C=O）和C-O-C等官能团，这些官能团可通过静电吸引、氢键等机制与污染物分子相互作用。XRD分析显示生物炭具有一定的结晶性。这些特性共同决定了生物炭优异的吸附性能和作为微生物载体的能力。

污染物去除效率

研究系统评估了不同VFCW系统在不同HRT下对污染物的去除效果。

1. 1.
   BOD去除：未经处理的乳业废水BOD浓度为306 mg/L。在72小时HRT下，对照组（VFCW-A）的BOD去除率为40%。而添加了生物炭和植物的系统表现出显著更高的效率：芦苇系统（VFCW-B）去除率达到95%，美人蕉系统（VFCW-C）达到91%。BOD的去除主要归因于微生物的好氧分解作用，生物炭提供了巨大的比表面积，促进了微生物膜的形成和有机物的降解，植物根系也为微生物附着和活动提供了场所。
2. 2.
   COD去除：进水COD浓度为528 mg/L。对照组在72小时HRT下COD去除率为42%。相比之下，芦苇系统（VFCW-B）的去除率高达99%，美人蕉系统（VFCW-C）也达到95%。除了生物降解，生物炭表面的官能团对有机物分子的吸附也起到了重要作用，包括氢键和静电相互作用。
3. 3.
   NO₃^-去除：进水硝酸盐浓度为23 mg/L。对照组在72小时HRT下去除率为44%。生物炭-植物系统效果显著更优：芦苇系统（VFCW-B）去除率达97%，美人蕉系统（VFCW-C）为92%。硝酸盐的去除机制较为复杂，包括植物吸收、微生物的反硝化作用（在生物炭创造的缺氧微环境中将硝酸盐还原为氮气）以及生物炭表面的吸附作用。生物炭的存在促进了硝化和反硝化细菌的活性，从而增强了氮的转化和去除。
4. 4.
   PO₄^3-去除：进水磷酸盐浓度为14 mg/L。磷酸盐的去除表现出不同的趋势，其在48小时HRT时达到峰值（芦苇系统85%，美人蕉系统83%），但在72小时时略有下降（分别为76%和70%）。这表明生物炭对磷酸盐的吸附位点可能在48小时后趋于饱和，甚至可能出现部分解吸。磷酸盐的去除主要通过吸附（与生物炭表面的金属离子如钙、铁等结合）、沉淀以及植物吸收等途径实现。

总体而言，与未添加生物炭和植物的对照组相比，添加银胶菊生物炭的VFCWs对所有目标污染物的去除效率均有大幅提升。特别是芦苇与银胶菊生物炭的组合（VFCW-B）在大多数参数上表现最佳。研究还计算了污染物的去除速率，进一步证实了生物炭改良系统的处理效率优势。与其他研究中使用不同生物炭（如芦苇秆、玉米芯、稻壳等）的人工湿地系统相比，本研究采用的银胶菊生物炭VFCWs在污染物去除效率上显示出竞争力，尤其是在硝酸盐和磷酸盐的去除方面。

本研究得出结论，利用入侵植物银胶菊制备的生物炭作为垂直流人工湿地的基质改良剂，并结合芦苇或美人蕉等湿地植物，能够构建一个高效、可持续的乳业废水处理系统。该系统在72小时水力停留时间内，对BOD、COD、NO₃^-和PO₄^3-等关键污染物表现出卓越的去除能力，显著优于传统湿地系统。其净化机制是物理（过滤、吸附）、化学（表面官能团作用、沉淀）和生物（植物吸收、微生物降解、硝化/反硝化）过程协同作用的结果。银胶菊生物炭的核心作用在于其多孔结构提供了巨大的吸附表面积和微生物栖息地，其表面官能团增强了与污染物的相互作用，其所含矿物质也可能参与反应。

这项研究的意义重大。首先，它为解决高浓度乳业废水的处理难题提供了一种低成本、低能耗、环境友好的“基于自然的解决方案”（Nature-Based Solution）。其次，它实现了“以废治废”的循环经济理念，将有害的入侵植物银胶菊转化为有价值的废水处理材料，为入侵物种的管理和资源化利用开辟了新途径。此外，该技术方案易于实施和管理，特别适合在资金和技术有限的地区，尤其是乳制品产业集中的区域推广应用，有助于减少水污染，保护水生态环境。

当然，该技术在实际大规模应用前仍有一些问题需要进一步探索。例如，生物炭的长期稳定性、吸附饱和后的再生或处置方式、不同季节气候变化对系统性能的影响、微生物群落结构的具体变化及其功能、以及系统的经济可行性评估等。未来的研究可以聚焦于优化运行参数、探明微观机理、评估长期效能和环境影响，从而推动这项绿色技术走向更广泛的实际应用。