利用保护性草地生物质制备的生物活性炭去除市政废水中有机微污染物及其温室气体减排效应

针对化石基活性炭(AC)高CO2 排放与循环生物经济目标冲突的问题，本研究创新性地利用湿地草地(WET)生物质制备生物活性炭，通过IFBB预处理提升碳含量并降低矿物质。实验表明100%活化的WET100在平衡微/中孔结构下，实现50%有机微污染物(OMPs)去除的投加量(13 mg L-1 )与商用Norit SAE Super相当，同时全生命周期温室气体排放降低2.4吨CO2 e/吨吸附剂，为可持续水处理提供新方案。

　　

随着药品、个人护理品等有机微污染物(Organic Micropollutants, OMPs)在水环境中持续累积，传统生物处理工艺对极性OMPs的去除效率有限，而化石基粉末活性炭(Powdered Activated Carbon, PAC)虽能有效吸附OMPs，却与欧盟循环生物经济目标背道而驰。这一矛盾促使科学家将目光转向可持续吸附剂开发——利用景观保护中未被充分利用的草地生物质制备生物活性炭，既能实现污染物控制，又能促进资源循环利用。

来自德国研究团队在《Environmental Science and Ecotechnology》发表的研究，系统评估了湿地草地(WET)和果园草地(ORC)生物质经集成固料与沼气生产(IFBB)预处理后制备的活性炭性能。通过物理化学表征、批次吸附实验和温室气体足迹分析，发现尽管WET100活性炭比表面积(437 m²
g^-1
)仅为商用ACs的40%，但其独特的孔隙结构使其对苯并三唑(BTA)、厄贝沙坦(IBS)等OMPs的去除效率媲美化石基产品。更值得注意的是，每吨WET100的全生命周期碳排放可比煤基AC减少94%，为污水处理行业低碳转型提供了关键技术支撑。

研究采用四大关键技术：1) IFBB机械分馏预处理提升生物质碳纯度；2) 900°C蒸汽活化调控孔隙结构；3) HPLC-MS/MS定量15种OMPs的吸附动力学；4) 开放生命周期评估软件openLCA计算"从摇篮到坟墓"的温室气体足迹。

3.1 生物质特性与预处理效果
湿地草地(WET)生物质经IFBB处理后，灰分从5.4%降至3.2%，碳含量提升至49.4%，而果园草地(ORC)因初始灰分高达19.4%，即便预处理后仍含9.6%灰分。元素分析显示WET生物质纤维素含量(362 g/kg)显著高于ORC(321 g/kg)，这为后续制备高孔隙率活性炭奠定基础。

3.2 活性炭结构与性能
随着氧化水平从0%增至100%，WET系列活性炭的碘值从320 mg/g提升至559 mg/g，微孔体积扩大15%。特别值得注意的是，WET100的介孔占比达60%，这种"双峰型"孔隙分布为大小分子OMPs提供了差异化吸附位点，使其对分子量791 g/mol的碘普罗胺(IoPR)仍保持20%去除率。

3.3 污染物去除效能
Freundlich等温线拟合表明，WET100对OMP Group 1(含7种指标污染物)的吸附系数K_F
=0.47，仅比顶级商用AC WP 235低19%。实际应用测算显示，要达到50%综合去除率，WET100投加量(13.2 mg/L)仅为ORC100(26.2 mg/L)的一半，且与Norit SAE Super(12 mg/L)处于同一数量级。

3.4 紫外吸光度监测
研究发现UVA₂₅₄
与OMP去除呈现强相关性(R²

0.95)，当UVA₂₅₄
降低7.5%时对应50%的OMP Group 1去除。这一发现为污水处理厂快速监控AC性能提供了可行方案，避免耗时昂贵的液相检测。

3.5 碳足迹分析
生命周期评估显示，处理每千立方米污水，WET100仅产生2 kg CO₂
e排放，较Norit SAE Super(19 kg CO₂
e)降低89%。关键减排环节在于：1) 生物质碳封存抵消；2) IFBB副产物沼气的能源回收；3) 活化过程余热利用。

该研究突破性地证实，通过精准调控草地生物质的预处理与活化工艺，可制备出兼具环境效益与吸附性能的生物活性炭。WET100在保持与化石基AC相当OMP去除率的同时，其"负碳"特性完美契合欧盟城市污水处理指令(UWWTD)提出的"第四级处理"要求。作者特别指出，未来研究应聚焦于：1) 不同水文条件下草地生物质的品质稳定性；2) 连续流反应器中的长期吸附性能；3) 灰分矿物质的催化作用机制。这项成果不仅为污水处理行业提供绿色解决方案，更开创了生态保护与资源循环协同增效的新范式——管理良好的湿地草地每公顷可年产3吨生物质，理论上能满足万人规模污水处理厂的PAC需求，同时维护了宝贵的生物多样性栖息地。