在全球范围内，尤其是在人口密度较低的地区，获得基本卫生设施仍然是一项严峻的挑战，这直接影响到公共健康、环境质量和生活质量。以巴西为例，约44.8%的市镇人口不足万人，这些地区往往缺乏资金和土地资源来建设集中的污水处理厂。因此，开发和应用低成本、易维护的分散式污水处理技术显得尤为重要。人工湿地（Constructed Wetlands, CWs）作为一种自然友好的生态工程技术，因其简单、运行维护成本低、能有效去除多种污染物以及对进水负荷波动适应性强而受到广泛关注。在众多人工湿地构型中，垂直流人工湿地（Vertical-Flow Constructed Wetland, VFCW）因其独特的间歇进水设计，能促进系统内氧气传输，有利于微生物群落和植物的生长，在处理原污水方面表现出色。
然而，人工湿地系统的核心部件——填料介质，其选择对污染物去除效率至关重要。理想的填料需要考虑成本、吸附能力、水力传导性、使用寿命以及对微生物附着和植物生长的支持。近年来，源自工业废弃物的填料材料因其符合可持续发展和循环经济原则而备受青睐。其中，生物炭（Biochar, BC）作为一种极具潜力的材料脱颖而出。它通常具有高比表面积、丰富的官能团、高吸附和阳离子交换能力，不仅能有效去除常规污染物，还对新兴污染物展现出良好的去除潜力。尽管已有大量研究关注生物炭强化的人工湿地，但多数研究使用的是在受控实验室条件下、以小规模、利用农业或林业残余物制备的生物炭处理合成废水。对于直接从工业过程中获得、未经改性预处理的大规模工业副产品生物炭，尤其是在热带/亚热带气候条件下处理真实原污水的研究仍相对缺乏。
为了解决这一知识空白，一项发表在《Ecological Engineering》上的研究进行了一项创新性的探索。研究人员评估了一种直接来自巴西热电厂、以森林生物质为原料在高温（900-1000 °C）下产生的工业废弃生物炭，将其作为填料应用于一个紧凑型垂直流人工湿地（设计参考法国系统），在长达一年的时间里处理真实的原生活污水。这项研究旨在阐明这种“零成本”工业废弃生物炭的理化特性，评估其在真实环境下的污染物去除性能，并深入分析其在湿地系统内形成的微生物群落结构，从而为这种材料在分散式污水处理中的大规模应用提供科学依据。
为开展此项研究，研究人员采用了几个关键技术方法。首先，对原始工业生物炭进行了系统的理化性质表征，包括粒度分析、比表面积（BET法）、零电荷点（pHpzc）、X射线衍射（XRD）分析晶体结构、扫描电子显微镜（SEM）观察表面形貌以及能量色散X射线光谱（EDS）和电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）分析元素组成。其次，建立并运行了一个表面积3.1 m²的紧凑型垂直流人工湿地中试系统，该系统填料层包含生物炭和砾石，以0.4 m³ m⁻² d⁻¹的水力负荷率间歇运行（3.5天进水/3.5天休息），处理对象为经过6毫米格栅筛滤后的真实原生活污水。最后，在系统运行一年后，从湿地系统不同深度（表层污泥层、生物炭上层0-5 cm、生物炭下层15-20 cm）采集样品，通过Illumina MiSeq平台对16S rRNA基因的V3-V4区域进行测序，以分析微生物群落的组成和多样性。
3.1. 生物炭表征
研究首先对工业生物炭进行了详细表征。结果显示，该生物炭具有高比表面积（428.3 m²·g⁻¹）和一定的孔容积，但其孔径属于超微孔范围，这可能导致在处理含悬浮物的污水时易发生孔隙堵塞。生物炭的零电荷点（pHpzc）为5.9，在接近中性的污水pH环境下表面带负电，有利于阳离子（如铵离子）的吸附。XRD分析表明原始生物炭中含有结晶的金属氧化物（如SiO2和MgO），这些成分可能通过形成沉淀（如Mg3(PO4)2）来促进磷的去除。然而，在运行后的生物炭深层样品中检测到了AlPO4，表明磷酸盐与金属氧化物发生了反应。SEM观察显示生物炭具有多孔不规则结构，运行后表面有生物膜覆盖，但结构未发生明显改变。EDS元素分析证实运行后生物炭下层磷含量有所增加，这与磷的吸附/沉淀过程一致。
3.2. 有机物、营养物和固体去除
系统在一年运行期间表现出稳定的污染物去除性能。对化学需氧量（COD）和五日生化需氧量（BOD5）的平均去除率分别为67±22%和80±11%，出水BOD5浓度（22±8 mg·L⁻¹）满足巴西排放标准。尽管进水浓度波动较大，系统仍能保持出水稳定，显示了良好的抗负荷冲击能力。有机物的去除是生物炭吸附和微生物降解共同作用的结果。
在营养盐去除方面，铵氮（NH4+-N）的平均去除效率为65±37%，出水浓度为9±7 mg·L⁻¹，符合法规要求。生物炭的表面负电荷及其官能团对铵离子的吸附，以及系统内形成的硝化作用（由出水中检测到硝酸盐氮NO3−-N证实）是铵氮去除的主要途径。磷酸盐（PO4−3-P）的去除在前六个月效果较好（平均去除率约56%），但之后出现饱和甚至解吸现象，出水浓度上升，表明生物炭对磷的吸附容量是有限的，且可能与孔隙被有机物堵塞及其他阴离子竞争吸附位点有关。总悬浮固体（TSS）的去除效率非常高，达到94±14%，这主要归因于系统的物理过滤作用。
3.3. 生物炭层微生物群落分析
微生物群落分析揭示了生物炭作为填料对微生物生态的显著影响。Alpha多样性分析表明，表层污泥层（A1）和深层生物炭层（A3）的微生物丰富度（OTU数目）和多样性（Shannon指数）较高，而浅层生物炭层（A2）相对较低，这可能与该层处于过渡界面，环境条件波动较大有关。在门水平上，变形菌门（Proteobacteria）在各个层面都是最优势的菌门，其在氮循环中扮演重要角色。值得注意的是，与硝化作用密切相关的硝化螺旋菌门（Nitrospirota）和候选菌门TM7在深层生物炭层（A3）中被检测到且相对丰度较高，而在表层污泥中几乎不存在。属水平的热图分析进一步显示了微生物群落随深度的明显分层。在深层生物炭层中，富集了包括硝化螺菌属（Nitrospira，参与硝化作用）以及从毛单胞菌科（Comamonadaceae）和慢生根瘤菌科（Bradyrhizobiaceae）中的一些潜在反硝化细菌在内的类群。这种特定功能菌群在BC基质中的共存表明，生物炭多孔结构创造了多样的微环境，可能支持了同步硝化反硝化（SND）过程，从而促进了氮的去除。
该研究得出结论，利用热电厂工业废弃生物炭作为填料的紧凑型垂直流人工湿地，在亚热带气候条件下处理原生活污水是可行且有效的。该系统在运行第一年表现出良好的污染物去除性能，尤其对有机质和悬浮固体去除效果稳定，对氮磷也有一定的去除能力。工业生物炭不仅通过其理化性质（吸附、沉淀）直接贡献于污染物去除，更重要的是为功能微生物群落（特别是与氮转化相关的菌群）的定殖和活动提供了优越的微环境，这在深层滤料中尤为明显。研究强调，这种“零成本”的工业废弃物资作为填料，符合循环经济原则，为资源有限地区，特别是小型社区，提供了一种有吸引力的分散式污水处理替代方案。然而，研究也指出生物炭对磷的吸附容量会随时间饱和，且本研究仅反映了系统运行初期的表现，长期的性能、堵塞风险以及填料老化等问题仍需进一步监测评估。
