厨余与林木废弃物制备生物源活性炭吸附有机微污染物的潜力：面向污水深度处理的新型碳源探索

本研究针对城市污水中有机微污染物(OMPs)去除难题，探索以厨余和绿篱修剪废弃物为原料制备生物源活性炭(bPAC)的可行性。通过系统表征和吸附实验，发现bPAC对典型OMPs的去除效能与商业活性炭(cPAC)相当，且林木类废弃物表现更优。该研究为废弃生物质资源化利用和污水深度处理提供了绿色解决方案，助力碳中和目标实现。

　　

随着工业化进程加速，淡水资源正面临有机微污染物(Organic Micropollutants, OMPs)的严重威胁。这些源自农药、医药品和个人护理品的痕量污染物，即便在低浓度下也能对水生生态系统和人类健康造成风险。尽管欧洲传统污水处理厂(Wastewater Treatment Plants, WWTPs)能有效去除有机物和营养物质，但对大多数OMPs的去除效果却不尽人意。更严峻的是，欧盟2024年修订的《城市污水指令》明确要求：到2045年，处理规模≥15万人口当量的污水厂必须配备深度处理工艺，实现至少6种OMPs在旱季流量下80%的去除率。

目前，粉末活性炭(Powdered Activated Carbon, PAC)吸附是去除OMPs的有效手段，但商业活性炭(conventional PAC, cPAC)主要采用硬煤或进口椰壳制备，不仅成本高昂，还伴随巨大的碳足迹。利用城市、农业或工业活动产生的高碳生物质残留物制备生物源活性炭(biogenic PAC, bPAC)，既能实现固体废物减量，又能支持循环碳经济，甚至通过碳封存贡献负温室气体排放。虽然已有研究探讨了木材基bPAC的吸附性能，但对城市残留生物质（如厨余和绿化废弃物）的系统研究仍显不足，特别是真实污水环境中多污染物竞争吸附的机制尚不明确。

为此，来自德国卡塞尔大学的研究团队在《Journal of Environmental Management》上发表论文，系统评估了以厨余垃圾和绿篱修剪废弃物为原料制备bPAC的可行性，并与商业cPAC进行性能对比。研究不仅分析了不同原料和工艺条件（热解时间、活化剂用量）对bPAC理化性质的影响，还通过真实污水吸附实验，揭示了bPAC对多种OMPs的去除效能与机制。

研究采用的关键技术方法包括：以厨房垃圾（分原始态和IFBB预处理两种）和绿篱修剪木屑为原料，通过PYREKA连续热解反应器在900°C下进行蒸汽活化；利用CHNS元素分析仪、气体吸附分析仪(BET法)和碘值/亚甲基蓝吸附试验表征材料性质；采用高效液相色谱-串联质谱(HPLC-MS/MS)分析污水样本中10种典型OMPs；通过批次平衡实验拟合Freundlich和Langmuir等温线，评估吸附性能。实验污水样本取自德国卡塞尔污水处理厂（34万人口当量）的二沉池出水。

3.1. 活性炭表征

元素分析显示：厨房垃圾bPAC灰分含量最高（KT-30-160达49.9%），绿篱修剪bPAC次之，但均高于文献报道的cPAC值（3.2%-16.1%）。灰分虽可能阻塞疏水性OMPs的吸附位点，却有利于极性污染物吸附。绿篱bPAC的比表面积(Specific Surface Area, SSA)随活化程度增加而升高（最高601 m²/g），而厨余bPAC在低氧化电位（70%-100%）下表现最佳，IFBB预处理显著提升了其吸附性能。孔隙分布显示：bPAC介孔/大孔比例高于cPAC，平均孔径达2.6-4.1 nm。碘值与BET表面积高度相关（R²=0.993），但会高估bPAC的实际表面积。

3.2. 吸附性能

单溶质吸附实验中，硝基苯吸附量随活化度增加而下降，表明其吸附更受表面化学性质而非SSA控制。苯并三唑吸附则呈现相反趋势，绿篱bPAC性能最佳（相对剂量仅需cPAC1的0.6-0.7倍）。真实污水中的UVA₂₅₄去除实验表明：绿篱bPAC在氧化电位≥250%时性能接近cPAC（相对剂量1.1-1.8），而厨余bPAC需更高投加量（2.3-15.2倍）。IFBB预处理显著提升了厨余炭对坎地沙坦的吸附能力（相对剂量从3.4降至2.5）。

3.3. OMP吸附测试

对10种OMPs的去除实验显示：绿篱bPAC整体优于厨余bPAC，其中坎地沙坦、卡马西平、双氯芬酸和美托洛尔的去除率与cPAC相当（相对剂量0.4-2.0）。活化程度增加普遍提升了前四种OMP的吸附性能，但对苯并三唑则产生抑制。线性相关分析表明：UVA₂₅₄去除与中性/带负电OMPs（如卡马西平、双氯芬酸）高度相关（R²>0.9），而与带正电OMPs（如克拉霉素）相关性较弱。值得注意的是，bPAC对苯并三唑的吸附效能显著优于cPAC，这与欧盟指令中将其列为"难吸附"物质的分类形成鲜明对比。

3.3.4. 水溶性物质析出

重金属浸出实验显示：bPAC中铜、镍、铅等毒性元素均低于定量限，仅检测到微量铬、锌、钼（<108 μg/L），证明其环境安全性。

研究结论表明：虽然bPAC在传统性能指标（碘值、SSA、灰分）上不及cPAC，但对真实污水中OMPs的去除效能令人满意，其中绿篱修剪废弃物表现尤为突出。通过工艺优化（如控制氧化电位在250%、延长热解时间至30分钟），bPAC性能可进一步提升。材料流分析显示：卡塞尔市园林废弃物年产量（2.2万吨）可完全满足当地污水厂深度处理需求，而厨余垃圾（1.47万吨）仅能覆盖19.8%的需求量。

该研究首次系统比较了城市生物质废弃物制备bPAC的可行性，揭示了原料特性与工艺参数对吸附性能的调控机制。研究发现苯并三唑在bPAC上的异常吸附行为，挑战了现有吸附性分类标准，为新型吸附剂设计提供了新思路。通过将UVA₂₅₄去除与硝基苯吸附相结合，建立了预测bPAC性能的可靠方法，为工程应用提供了实用工具。研究成果不仅为污水厂OMPs深度处理提供了低碳解决方案，更开创了"以废治废"的循环经济新模式，对实现污水处理碳中和目标具有重要实践意义。