高铁酸钾改性生物炭全生命周期评估：重金属废水处理的碳减排与经济性分析

本研究针对重金属废水处理中传统化学药剂高碳排放、高成本问题，通过LCA（生命周期评估）和CBA（成本效益分析）方法，系统评估了高铁酸钾改性生物炭（Fe-BC650）的环境与经济性能。结果表明：改性生物炭经3次循环使用后，较传统处理减少CO2排放38,346 kg/d，降低成本56,680 USD/d，为农业废弃物资源化与绿色水处理技术提供理论支撑。

　　

随着工业化和城市化进程加速，水体重金属污染已成为全球性环境挑战。铅、镉、砷等重金属通过食物链富集，威胁人类健康与生态安全。传统化学处理法如高铁酸钾虽有效，但存在碳排放高、成本昂贵等问题。在此背景下，中国科学技术大学的研究团队创新性地将农业废弃物——茶秆转化为高铁酸钾改性生物炭（Fe-BC650），通过全生命周期视角评估其在重金属废水处理中的环境与经济价值，相关成果发表于《Journal of Water Process Engineering》。

研究采用慢速热解技术将茶秆转化为生物炭，同步生成生物质油和生物质气作为能源补充。通过LCA方法量化"原料收集-制备-应用"全链条碳足迹，结合CBA分析经济性。关键技术包括：ISO 14000标准下的系统边界设定、K₂FeO₄化学改性优化吸附性能、三次循环再生实验验证稳定性，以及敏感性分析识别关键参数。

【系统目标与范围】
建立涵盖茶秆收集、Fe-BC650制备及重金属吸附的全流程评估体系，首次将生物质能源回收纳入碳减排计算。

【茶秆收集】
基于田间实测数据，确定每人每日可采集茶秆0.479吨，劳动力成本30 USD/d，为后续规模化应用提供基础参数。

【碳排与成本效益】
单次使用周期碳排放为21,792 kg CO₂e/d，但通过三次循环可实现净减排38,346 kg CO₂e/d。经济性方面，较传统方法日均节省56,680 USD，其中生物质油/气贡献18,670 USD/d收益。

【敏感性分析】
揭示改性剂用量、价格及热解方式对系统影响最大：K₂FeO₄添加量每增加1%，总成本上升2.3%；采用电加热热解比生物质能源供热增加碳排放17%。

【结论与讨论】
该研究证实Fe-BC650具有"环境-经济"双优特性：其多孔结构和铁氧化物负载协同提升Cu²⁺、Pb²⁺吸附容量（最高达322 mg/g），循环使用后仍保持90%以上效率。相比传统化学法，不仅降低56%成本，更实现从"碳源"到"碳汇"的转变。

这项工作的创新性在于将农业废弃物资源化与污染治理有机结合，为《巴黎协定》框架下的工业减排提供新思路。未来研究可进一步优化改性工艺，探索在不同水质条件下的规模化应用潜力。