在最近的一项研究中，研究人员发现使用木屑结合一种特殊类型的生物炭——实质上是增强的锯末——可以显著降低废水中的氮、磷和几种常见药物的水平。
你有没有想过布洛芬在缓解你的头痛后会变成什么？和许多其他药物一样，它即使在我们的身体排出后仍然可以保持活性。这带来了一个重要问题，因为虽然废水处理设施有效降低了营养污染物，但它们并不旨在消除药物和个人护理产品。因此，抗生素、激素和其他物质重新进入自然水体和农业用地。
来自伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的研究团队展示了简单的木屑和经过特殊处理的锯末的组合可以有效减少废水中的氮、磷和各种药物。
“即使在小量情况下，药物和个人护理产品（PPCPs）也会对水质造成危害，干扰生态系统，促进抗生素抗性，并在野生动物中积累。虽然氮和磷等营养物质可以导致可见问题，例如有害藻类繁殖，但PPCPs却构成严重风险，尤其是在脆弱社区经历长期暴露时。这两个问题突显出改善废水管理的紧迫需要，”研究的首席作者之一、伊利诺伊大学农业与生物工程系（ABE）博士生香港徐解释道。
徐和他的同事们意识到，木屑生物反应器——充满木屑的系统，水流通过其中——由于微生物在木材上繁衍生息，能够有效消除多余的氮，将硝酸盐转化为无害的氮气。他们随后创建了一种新型生物炭——用石灰泥处理并炭化的锯末——能够结合磷和特定的PPCPs。生物炭的大表面积和独特成分使其能够紧密捕获化合物。
借助这些知识，研究人员在实验室中进行了“处理列车”方法的实验，以评估这两种处理方式的联合效果。他们从当地小溪收集水，并加入氮、磷、布洛芬、萘普生、糖尿病药物西格列汀和一种雌激素衍生物。这种混合物通过小木屑生物反应器，随后流经含有生物炭的管道。该过程被称为B2（生物反应器-生物炭），使团队能够测量剩余化合物的浓度。
“平均而言，B2系统成功去除了77%的硝酸盐、99%的磷、约70%的布洛芬、74%的萘普生、91%的西格列汀和97%的雌酮，”研究的共同作者、伊利诺伊可持续技术中心（ISTC）首席研究科学家郑伟报告说，该中心是伊利诺伊大学草原研究所的一部分。“生物炭的作用类似于活性炭，有效地从被污染水中提取药物残留物。”
结果因水流速度的不同而有所变化；较慢的流速显示出更高的氮去除率。此外，他们测试了生物炭的形态——颗粒与压片——发现颗粒更有效地捕获药物和磷。
由于微生物对于木屑生物反应器中的氮去除至关重要，研究人员想知道药物是否会影响微生物群落。他们观察到特定细菌的丰度发生了变化，但微生物群落的核心功能保持稳定。
“我们发现的最令人兴奋的方面是确认木屑生物反应器的氮去除效率未被PPCPs所影响，尽管微生物组的组成发生了变化，”徐指出。“这表明生物反应器系统能够在各种条件下维持其性能，这对于实际应用至关重要。”
虽然这一调查在实验室中进行的小规模实验，研究人员模拟了B2系统在更大规模下的有效性，表明工业应用的前景十分乐观。
“我们相信，通过例行维护和优化系统设计，可以管理许多与规模有关的挑战。例如，连续流动系统中的堵塞可能会损害性能和使用寿命，因此需要定期更换生物炭，”共同作者、ABE的副教授拉宾·巴塔赖解释道。
“这些设计和操作考虑对确保B2系统在实际应用中的效率和持久性至关重要，最终提高其应对环境问题的有效性，”他补充道。
徐目前担任ISTC的博士后研究助理。郑也在ABE担任兼职教师。
