改性生物炭同步回收废水中氮磷及土壤镉固定化的协同机制研究

针对水体富营养化与土壤镉污染协同治理难题，研究人员以脐橙皮为原料开发金属（Mg/Al/Ca）改性生物炭复合材料，实现废水中NH4+/NO3?/PO43?高效吸附（N/P最大吸附量达110/280 mg/g），并通过绿豆栽培实验证实NP富集后的生物炭可降低土壤酸溶性镉迁移性，为农业废弃物资源化与污染协同控制提供新策略。

　　

随着全球人口激增，农业施肥导致大量氮磷流入水体引发富营养化，而土壤重金属污染同样威胁粮食安全。传统治理方法往往割裂处理这两类污染，如何通过材料创新实现"以废治废"成为环境领域的研究热点。脐橙作为中国赣州核心农产品，其加工废渣（橙皮）富含纤维素但利用率低；与此同时，富含镁钙的白云石矿物在改性生物炭领域尚未充分开发。

针对这一挑战，江西理工大学（Jiangxi University of Science and Technology）的Wuhui Luo团队创新性地将橙皮生物炭与Mg/Al/Ca金属（氢）氧化物复合，通过12种材料体系的对比实验，筛选出NO₃^?-PO₄^3?双体系最优的MgAl层状双氢氧化物包覆生物炭（COP@MA），以及NH₄⁺-PO₄^3?体系中表现突出的热解镁钙负载橙皮（C-OP@MC）。研究发现，PO₄^3?通过内圈络合作用稳定吸附，而NH₄⁺在高浓度下与PO₄^3?形成鸟粪石沉淀，使C-OP@MC对N/P的吸附量分别达到110 mg/g和280 mg/g的惊人水平。更巧妙的是，研究人员将吸附饱和的材料用于镉污染土壤修复，发现NP富集的复合材料不仅能提供植物生长所需营养，还能将酸溶性镉转化为难迁移形态，使绿豆生物量提升同时镉积累量降低50%以上。

研究主要采用X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）解析材料结构，通过批量吸附实验评估性能差异，结合浸出实验和绿豆栽培验证土壤修复效果。

材料比较
原始橙皮（OP）因表面负电荷对NH₄⁺有静电吸附优势，但金属负载后该能力下降。引入Al³⁺显著提升材料对NO₃^?的吸附，而Mg/Ca协同作用在PO₄^3?吸附中起决定性作用。

吸附机制
COP@MA在NO₃^?-H₂PO₄^?体系中展现协同吸附，而C-OP@MC在NH₄⁺-H₂PO₄^?体系中因形成MgNH₄PO₄·6H₂O（鸟粪石）晶体产生超高吸附量。共存离子实验表明PO₄^3?吸附稳定性显著优于氮物种。

土壤修复
添加5% COP@MA使土壤浸出液镉浓度降低76%，同时将酸溶性镉比例从42.3%降至18.7%。绿豆实验显示处理组植株镉含量仅为对照组的47%，且生物量增加30%。

这项发表于《Journal of Environmental Management》的研究首次构建了"废水营养回收-土壤重金属固定化"的闭环解决方案，创新点在于：①利用农业废弃物和廉价矿物开发高性能复合材料；②揭示不同金属组合对N/P吸附的选择性规律；③证实NP富集材料在土壤修复中的双重功效。该工作为区域性农业废弃物高值化利用提供了可复制范式，对实现"双碳"目标下的污染协同治理具有重要参考价值。