《Journal of Environmental Management》：From yard waste to leachate treatment: Dual function of biochar as nutrient amendment and adsorbent under real leachate conditions
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本地庭院垃圾生物炭在人工湿地渗滤液处理中的双重功能评估：营养释放与吸附性能研究，采用改良EPA LEAF方法量化碳氮释放，并分析300-700℃热解及原料老化对TOC、TN释放及TDS吸附的影响，发现300-500℃生物炭平衡了营养释放与吸附效率，吸附动力学符合伪二级模型，固定床柱试验显示显著持留效果。
吴宇迪|马拉克·安沙西|阿努莎·伊姆兰|玛拉·华莱士|德雷顿·洛特
佛罗里达理工学院环境工程系，美国佛罗里达州莱克兰市
摘要
本研究独特地结合了营养物释放特性分析、多尺度吸附评估和传输建模，使用本地生产的庭院废弃物生物炭和真实的填埋场渗滤液来展示材料在湿地相关条件下的双重功能。该案例研究评估了本地生产的庭院废弃物生物炭在构建湿地渗滤液处理中的双重用途：（1）作为营养物改良剂；（2）作为进水污染物的吸附剂。该评估是根据当地填埋场条件和生物炭特性量身定制的。通过修改后的EPA 1314渗滤环境评估框架（LEAF）方法，我们量化了总有机碳（TOC）、生化需氧量（BOD）、总氮（TN）和无机氮物种的营养物释放情况。在300°C下生产的生物炭释放的TOC最高（2.1 mg/g），而在500–700°C下生产的生物炭由于碳稳定作用释放量较低。老化原料增强了营养物释放，其中老化生物炭（A-YW-300）的总氮释放量最高（约0.1 mg/g）。BOD/TOC比率表明了可利用碳和难利用碳的比例。吸附测试显示，庭院废弃物生物炭的TDS去除率与商用活性炭相当，达到了15–30%。动力学建模遵循伪二级行为（R2 = 0.66-0.72，中等拟合度），活性炭的平衡时间约为3小时，而老化生物炭约为12小时。固定床柱实验确认了其强大的TDS保留能力（R > 1）。总体而言，在中等热解温度（300–500°C）下生产的生物炭在营养物释放和吸附性能方面表现均衡，显示出其作为生物炭增强型构建湿地改良剂的潜力。
引言
填埋是全球最常见且成本效益最高的固体废物处理方法之一（Anshassi和Townsend，2025年）。然而，填埋场渗滤液中复杂的成分和高浓度的污染物仍然对处理工作构成持续挑战（Babaei等人，2021年；Bandala等人，2021年；Golwala等人，2022年）。尽管大量研究集中在新兴污染物（如全氟和多氟烷基物质（PFAS）和药物上，但像总溶解固体（TDS）这样的传统污染物往往受到的关注较少，尽管它们对处理系统的运行挑战有持续影响（Ergene等人，2022年；Wu等人，2020年）。
填埋场渗滤液通常需要运送到外部进行处理，这是一种成本高昂且物流复杂的做法，而现场系统如曝气、蒸发和构建湿地提供了更可持续的替代方案。构建湿地的性能取决于硝化和反硝化等微生物过程，这些过程需要足够的碳供应。虽然生物炭已被提议作为一种缓释碳改良剂来支持这些过程，但很少有研究在真实的渗滤液条件下评估本地生产的庭院废弃物生物炭的营养物释放和污染物去除性能。本研究通过考察生物炭在场地相关处理条件下的双重功能来填补这一空白。
生物炭是一种通过有机物的热解在有限或无氧条件下产生的稳定且富含碳的材料（Brickler等人，2021年），作为一种多功能的环境材料，已被用于土壤改良（Brickler等人，2021年）、污染修复（Wu等人，2022年）和碳封存（Luo等人，2023年）。作为土壤改良剂，生物炭可以增强养分保持能力、持水能力和微生物栖息地的可用性（Singh等人，2022年），其长期稳定性通过碳封存减少了温室气体排放并提高了土壤肥力（Wang等人，2020年）。田间研究表明，它在提高土壤肥力（Jones等人，2012年）、作物产量（Ye等人，2020年）和修复退化土地（Barrow，2012年；Luo等人，2017年）方面具有优势。在水和废水处理中，生物炭的结构和形态与活性炭相似，使其成为一种有吸引力的低成本替代品（Thompson等人，2016年），尤其是当其来源为丰富的本地废弃物流时，尽管其吸附能力通常低于商用活性炭。
生物炭的物理化学性质受原料类型、热解温度（通常为300–700°C）、加热速率和后处理过程（即活化）的强烈影响。由于这些因素，生物炭的表面结构和表面化学性质存在很大差异（Anderson等人，2011年；Lee等人，2010年）。尽管生物炭具有潜力，但很少有研究在全规模或试点规模的处理系统中评估过本地来源的生物炭，其营养物释放和污染物去除效率仍存在不确定性。解决这些不确定性对于推进其在工程系统中的实际应用至关重要。
在这项研究中，我们首次对从本地填埋场收集的庭院废弃物生产的生物炭在构建湿地渗滤液处理系统中的双重功能进行了同类评估：既作为营养物改良剂也作为吸附剂。基于我们之前关于新鲜和轻微分解的庭院废弃物生物炭的物理化学性质和毒性的研究，我们评估了原料分解和热解条件对营养物释放和TDS去除的影响（Wu等人，2025年）。本研究旨在评估从本地填埋场收集的庭院废弃物生产的生物炭在构建湿地渗滤液处理系统中的双重功能，重点关注其作为营养物改良剂和污染物吸附剂的角色。具体来说，1）使用修改后的EPA 1314渗滤环境评估框架（LEAF）方法，评估在不同热解温度（300–700°C）和原料条件（新鲜 vs. 轻微分解（老化）下生产的生物炭的营养物释放潜力；2）通过TDS吸附实验评估污染物去除性能，包括动力学研究、等温线建模和突破曲线分析；3）考察热解前原料分解对生物炭在构建湿地操作相关条件下的营养物改良能力和吸附效率的影响。尽管已有研究探讨了生物炭在废水处理和湿地基质改良中的应用，但之前的研究通常集中在合成废水系统、单一污染物吸附或孤立的营养物渗漏行为上。很少有研究在真实的填埋场渗滤液条件下评估本地来源的市政庭院废弃物生物炭，同时评估其营养物释放和污染物吸附性能。
虽然循环经济原则越来越提倡通过材料再利用来利用废物，但很少有研究在真实的填埋场渗滤液条件下评估本地生产的庭院废弃物生物炭，同时评估其在实验室和柱实验尺度上的营养物释放行为和吸附性能。本案例研究独特地结合了修改后的EPA 1314渗滤评估、动力学和等温吸附建模以及使用代表市政运营的渗滤液和原料的固定床突破测试。通过将热解温度和原料老化与营养物动态和处理性能联系起来，这项工作提供了一个以前未应用于填埋场构建湿地系统的综合评估框架。
研究方法概述
实验设计的示意图如图1所示。生物炭是在300至700°C下从新鲜和老化的庭院废弃物原料中生产的，随后进行了三种互补的评估方法：（i）使用修改后的EPA 1314柱渗滤程序评估营养物可用性；（ii）使用真实填埋场渗滤液进行批次吸附测试以去除TDS，包括动力学和平衡等温线建模；（iii）在脉冲注入模式下进行柱突破实验。
使用LEAF方法评估生物炭的营养物可用性
测得的可溶性营养物分数表明，新施用的生物炭是否可以作为构建湿地中植物和微生物的有益支持介质（图3）。从新鲜收集（F-YW）和老化庭院废弃物（A-YW）在300、500和700°C下生产的生物炭的营养物释放行为进行了评估。在新鲜组中，所有生物炭都释放了不同程度的TOC，其中F-YW-300的释放量最高，而F-YW-500和F-YW-700的释放量较低。
结论
研究表明，庭院废弃物生物炭主要作为一种补充营养源，而不是处理负担，因为即使在最大释放量下，也不到实际应用速率下典型湿地进水负荷的一半。在适中热解温度（300–500°C）下生产的生物炭表现最为均衡，结合了支持微生物活动的有利C:N比和强大的吸附行为，而700°C生产的生物炭……
作者贡献声明
吴宇迪：撰写——原始草稿，可视化，验证，项目管理，方法论，调查，数据整理，概念化。马拉克·安沙西：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，调查，资金获取，概念化。阿努莎·伊姆兰：数据整理。玛拉·华莱士：数据整理。德雷顿·洛特：数据整理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究由美国佛罗里达州波尔克县的波尔克县固体废物部门资助。
