生物炭改良表土在高速公路雨水径流处理中的应用：一种高效去除营养污染物的新型生物边坡介质

推荐：为解决高速公路雨水径流造成的非点源污染问题，美国乔治亚南方大学团队创新性地采用生物炭(biochar)改良四种典型表土(Tifton/Cecil/Pacolet/Cowarts)作为生物边坡(bioslope)新型介质。研究发现5%生物炭改良即可实现总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、凯氏氮(TKN)和总磷(TP)60%以上的去除率，同时使饱和导水率降低>50%。该研究为低成本绿色基础设施(GI)建设提供了重要技术参考。

　　

高速公路作为现代交通网络的动脉，在带来便利的同时也成为了水环境污染的"隐形杀手"。每当降雨来临，路面累积的汽车尾气沉积物、轮胎磨损颗粒、防冻液残留等污染物随雨水冲刷形成富含营养物（如氮磷）的径流，这些"马路汤"最终汇入水体引发藻类暴发、溶解氧耗竭等生态问题。美国环保署(EPA)虽通过国家污染物排放消除系统(NPDES)严格管控，但传统处理设施如砂滤池、渗透沟等存在成本高、维护难等痛点。更棘手的是，随着城市扩张，公路路权(ROW)用地日益紧张，亟需开发既节约空间又经济高效的新型处理方案。

乔治亚南方大学的研究团队将目光投向了生物炭(biochar)——这种由生物质热解制成的多孔碳材料。不同于传统工程表土中使用的碎石、珍珠岩等昂贵介质，生物炭不仅成本低廉（49美元/立方英尺），还具有惊人的比表面积(408.43 m²/g)和丰富的孔隙结构。研究人员创新性地提出将生物炭与本地表土混合，打造"生物炭改良生物边坡"的新型最佳管理实践(BMP)设施，试图在有限路权空间内实现雨水径流的高效净化。

研究团队选取乔治亚州四种典型表土（Tifton、Cecil、Pacolet和Cowarts）进行系统实验。通过实验室规模的生物边坡模拟装置（0.093 m²处理面积），对比评估了0%、5%、7%和10%四种生物炭添加比例对雨水处理的效能。研究特别关注了改良后介质的物理特性变化（容重、孔隙度）和水力参数（饱和导水率），以及其对总氮(TN)、氨氮(NH₃-N)、硝酸盐氮(NO₃^--N)、凯氏氮(TKN)和总磷(TP)的去除效果。

关键技术方法包括：1) 采用HYPROP KSAT测定饱和导水率；2) 通过UC-Davis土壤资源调查系统确定采样点；3) 使用Hach DR 5000分光光度计分析水质参数；4) 设计实验室规模生物边坡模拟装置（长0.305m×宽0.305m×高0.244m）；5) 采集真实高速公路雨水径流（采样点：Ogeechee河上Oliver Highway桥梁排水口）作为处理对象。

【3.1 表土样品容重与生物炭改良表土孔隙度】
研究发现四种表土容重差异显著：Cowarts最高(1.61 g/cm³)，Pacolet最低(1.05 g/cm³)。生物炭本身孔隙度达84.2%，当其以5%重量比添加到表土时，相当于占据14-28%的体积比。这种"轻质填料效应"显著改变了土壤结构，Tifton表土在添加5%生物炭后孔隙度从46%增至47%，同时饱和导水率从33.3 cm/h骤降至11.23 cm/h。

【3.2 饱和导水率与水质量峰值流量】
生物炭添加对水力性能的影响呈现"断崖式"变化——所有表土在5%生物炭添加时饱和导水率降幅均超50%。Cowarts表土表现最为典型，其导水率从41.76 cm/h断崖式跌至1.30 cm/h。这种变化源于生物炭颗粒(0.25-4.00mm)对土壤大孔隙的填充作用，以及其自身丰富的微孔结构带来的持水能力提升。计算得出的水质量峰值流量(Q_wq)显示，生物炭改良显著降低了系统处理负荷，从8.59 mL/s（未改良Tifton）降至0.33 mL/s（5%生物炭改良Cowarts）。

【3.3 营养污染物去除效能】
在污染物去除方面，5%生物炭添加即展现出惊人效果：Tifton表土对TN、NH₃-N、TKN和TP的去除率分别达97%、100%、100%和74%。特别值得注意的是氨氮的去除，所有生物炭改良组均保持86-100%的高效率，这归因于生物炭和黏土矿物的阳离子交换容量(CEC)对铵离子(NH₄⁺)的强吸附作用。不过硝酸盐氮(NO₃^--N)的去除呈现较大波动，Cecil表土甚至出现浓度增加现象，研究人员认为这与缺乏足够微生物群落进行反硝化作用有关。

【4. 结论与意义】
这项发表在《Journal of Environmental Management》的研究证实，生物炭改良表土作为生物边坡新型介质具有三重优势：首先，5%的生物炭添加即可实现营养污染物60%以上的去除率，且材料成本较传统介质大幅降低；其次，改良后的介质饱和导水率降低50%以上，能有效截留初期雨水中的"首波冲刷"污染物；最后，该技术可直接利用当地表土，实现"就地取材"的可持续建设。

研究也揭示了技术优化方向：硝酸盐去除的不稳定性提示需要结合植物修复（如柳枝稷）来增强生物脱氮；第三轮渗透实验中出现的污染物突破现象，则表明需要建立定期维护机制。这些发现不仅为高速公路雨水管理提供了经济高效的解决方案，也为农业领域的土壤改良和水资源保护提供了重要参考。随着全球城市化进程加速，这种"以废治污"（利用生物质废弃物制备生物炭处理雨水）的循环经济模式，或将成为绿色基础设施建设的新范式。