利用入侵水葫芦从富营养化水体中去除营养物及生物炭生产的价值化研究

《Desalination and Water Treatment》：Valorisation of invasive water hyacinth for nutrients removal from eutrophic waterbodies and biochar production

本研究针对南非哈特比斯普特水库水葫芦入侵导致的富营养化问题，开展水葫芦资源化利用研究。通过在不同温度（300°C、500°C、700°C）下热解制备生物炭，发现500°C条件下获得的生物炭碳含量最高（73.1%），且富含磷等营养元素。该生物炭可作为土壤改良剂实现营养物循环，并为碳 dioxide removal (CDR) 提供新途径，为入侵物种管理提供循环经济解决方案。

　　

在南非的哈特比斯普特水库，一种名为水葫芦（Pontederia crassipes）的入侵植物正以前所未有的速度蔓延，形成覆盖率达80%的密集植毡。这种来自南美洲的外来物种通过化感作用抑制其他水生生物生长，严重破坏水体生态平衡：植毡层阻碍气体交换，导致溶解氧降低；死亡分解过程消耗氧气，产生大量二氧化碳，形成恶性循环。更严峻的是，随着发展中国家污水处理基础设施超负荷运行，富含氮、磷的未完全处理废水持续排入水体，加剧了富营养化进程。传统上，打捞上岸的水葫芦被视为废弃物进一步恶化环境，但循环经济理念为这一困境提供了新思路。

在这项发表于《Desalination and Water Treatment》的研究中，由NA Tshikovhi、K Mudzanani等学者组成的研究团队创新性地将水葫芦转化为高附加值生物炭产品。研究人员从富营养化严重的哈特比斯普特水库（面积约2000公顷，年产生水葫芦至少3.2万吨）采集新鲜样本，通过洗涤、空气干燥和80°C烘箱干燥预处理后，采用慢速热解技术（加热速率10°C/min，氩气保护气氛）在300°C、500°C和700°C三个温度点进行热解转化。通过扫描电子显微镜（SEM）、高分辨率透射电子显微镜-能量色散X射线光谱（HR-TEM-EDS）、X射线荧光光谱（XRF）和热重分析（TGA）等技术系统表征生物炭的微观结构、元素分布和热稳定性。

形态与微观结构特性

扫描电镜图像清晰展示了热解温度对材料结构的递进影响：300°C时生物炭表面光滑但保留纤维层状结构，500°C时出现明显裂纹和碎片边缘，700°C时则呈现灰化特征。这种结构演变表明500°C是实现碳化与孔隙结构平衡的最佳温度点。

元素分布与组成

HR-TEM-EDS元素映射显示水葫芦生物炭中碳、氧、磷等元素呈协调分布。SEM-EDS定量分析发现500°C生物炭碳含量达73.1%，较原料（68.2%）显著提升，而700°C样品因碳分解释放二氧化碳导致碳含量骤降至43.5%。XRF数据进一步证实生物炭富含镁（最高9.85%）、磷（最高4.60%）等植物必需营养元素，且重金属含量低于WHO/FAO限值，凸显其农业应用安全性。

热重分析

TGA曲线揭示原料96%为水分，热解过程中300-700°C区间出现明显失重峰，对应挥发性物质分解。生物炭产率随温度升高从32.5%（300°C）降至24.7%（700°C），证实高温促进脱挥发分反应。

这项研究成功论证了以入侵水葫芦为原料制备多功能生物炭的可行性。500°C热解条件下获得的生物炭不仅具备高碳含量和丰富孔隙结构，更因其富集磷营养元素而成为理想的土壤改良剂。这种"以废治废"的策略实现了从水体去除营养物到农业营养物循环的闭环，同时为碳 dioxide removal (CDR) 提供了基于自然解决方案的新路径。研究结果对全球南方国家治理富营养化水体具有重要参考价值，为制定入侵物种资源化利用政策提供了科学依据。未来研究需重点关注生物炭的规模化生产参数优化、田间应用效果验证以及作为吸附剂在水处理领域的性能开发。