《Waste Management》：Microwave-assisted remediation of PAHs-contaminated soil using biochar: Process optimization and cost-benefit analysis
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生物炭增强微波技术可有效去除土壤中多环芳烃（PAHs），实验表明优化条件下（600W功率、10分钟时长、10%湿度、5%生物炭）对菲和芘的去除效率分别达77.33%和74.58%，生物有效性降低90.48%和86.47%。该技术通过改善土壤电磁特性提升微波能转化效率，并具有低碳环保优势。
王浩庄|王燕|张慧英|卢瑶|赵如金|Malcom Frimpong Dapaah|Abdallah Abdelfattah|谢青杰|贾慧
江苏大学环境与安全工程学院，镇江212013，中国
摘要
微波热解技术是一种处理多环芳烃（PAHs）污染土壤的有前景的方法，但其广泛应用受到土壤本身较低微波吸收率的限制。为了解决这一问题，我们提出了一种生物炭增强的微波（BEM）工艺，并对其效果进行了系统评估。生物炭的表征显示，其对菲（303.10 mg/g）和芘（164.49 mg/g）具有良好的吸附能力，超过了分子筛的性能。通过多因素正交实验和单因素实验，确定了最佳条件：微波功率为600 W，处理时间为10分钟，含水量为10%，生物炭用量为5%。在这些条件下，BEM对菲的去除效率达到了77.33%，对芘的去除效率达到了74.58%，其生物可利用性去除率分别达到了90.48%和86.47%。质量平衡分析表明，去除机制受PAHs物理化学性质的影响：由于菲的分子量较低且挥发性较高，其主要通过热挥发去除；而芘则主要通过降解去除，这得益于其在土壤基质中的滞留。向量网络分析表明，生物炭改善了土壤的电磁性能，促进了微波能量向热能的有效转换，并形成了加速PAHs挥发和降解的“热点”。生命周期评估和技术经济分析证实了BEM的实际优势，与替代技术相比，可显著降低成本（每吨降低10.25–47.66%）并减少二氧化碳排放（降低62.78–78.34%）。本研究为基于微波的修复技术提供了理论基础，为PAHs污染土壤的处理提供了一种环境可持续的方法。这种方法符合中国双碳战略下的绿色修复原则。
引言
大规模工业活动导致污染物在环境中的释放量不断增加（Saravanan等人，2021年）。这些污染物在水、空气和土壤中的过度积累导致环境质量显著下降（Wilson等人，2023年）。多环芳烃（PAHs）是环境中最普遍的有机污染物之一。PAHs主要来源于三个途径：岩石成因、热成因和生物成因（Padhye等人，2023年）。由于其疏水性，PAHs容易通过大气沉降、地下水渗透和生物传输吸附到土壤颗粒上，使土壤成为这些化合物的主要储存库和汇（Zhao等人，2020年）。重要的是，植物根系对PAHs的主动吸收和转运促进了它们在食物链中的转化和积累，最终影响到更高营养级，对人类健康构成威胁（Prasetya等人，2025年）。通过摄入、吸入和皮肤接触等途径（Adade等人，2025年），PAHs可能对人类的神经系统、心血管系统和生殖系统产生不利影响。研究表明，长期暴露于PAHs与皮肤癌、肺癌、肝癌和膀胱癌的风险增加有关（Venkatraman等人，2024年）。鉴于PAHs具有强烈的致癌性、致畸性和致突变性，美国环境保护署已将16种PAHs（见补充材料中的表S1–2）列为需要严格监测和控制的优先污染物（Zhang等人，2024a；Zhang等人，2024b）。
为了解决PAHs污染土壤这一紧迫的全球问题，已经开发了基于物理、化学和生物学原理的各种修复技术（Costa等人，2017年；Hamdi等人，2025年；Lee等人，2024年；Lu等人，2019年；Yaminini和Rajeswari，2023年）。尽管当前的物理化学方法具有较高的污染物去除效率，但其高昂的处理成本限制了其在大规模污染场地中的应用（Zhou等人，2019年）。此外，这些技术通常会对土壤结构造成显著干扰，并可能降低土壤肥力（Lee等人，2024年）。生物修复技术，特别是植物修复技术，由于能耗低和环境效益好而具有很大潜力（Shen等人，2022年）。然而，它们需要大量的土地且修复速度相对较慢，这在需要紧急干预的情况下是一个显著限制。在这方面，基于生物炭的联合技术成为了一种有前景的替代方案。这些技术利用生物炭作为优异的吸附剂和微生物刺激剂，提高了多种平台上的修复效率。例如，将生物炭添加到堆肥系统中已被证明可以显著增加PAHs的吸附并刺激外源微生物的活动（Sigmund等人，2018年）。同样，将工程化生物炭（如负载铜的生物炭）整合到人工湿地中已被证明可以高效去除菲等PAHs（Shen等人，2020年）。此外，生物炭在连续流式生物反应器中作为降解微生物的稳定载体，实现了PAHs的持续高效降解（Goswami和Oh，2025年）。
在这些技术中，微波辐射在修复有机污染土壤方面显示出显著的应用潜力，这得益于其独特的机制（Wu等人，2022年）。微波辐射穿透土壤基质并与极性污染物直接相互作用，产生局部热点，从而整体加热周围土壤。这一过程加速了污染物从土壤颗粒中的分离（Falciglia等人，2024年），使得在较低温度和较短时间内实现高去除效率的PAHs去除，从而降低了能耗（Li等人，2019年）。与传统的热修复方法（如旋转窑热解）相比，微波修复技术分别降低了55.3%的能耗和35.7%的成本（Wu等人，2024a；Wu等人，2024b）。这些发现突显了使用微波去除土壤污染物的技术和经济可行性。然而，微波修复的实际应用面临一些挑战。土壤颗粒本身的低微波吸收率限制了微波能量向热能的转换，从而阻碍了污染物的有效去除（Li等人，2022年）。此外，修复有机污染土壤的根本目标是降低有机污染物的生物可利用性浓度，从而减少生物对其的吸收（Alexander，2000年；Godlewska等人，2021年）。目前，缺乏基于生物可利用性的修复策略可能导致不必要的高昂修复成本（Gupta等人，2024年）。
因此，将生物炭（BC）整合到微波修复技术中具有显著优势。与其他材料相比，BC表现出优异的吸附能力（表1），有效降低了土壤中PAHs的迁移性和生物可利用性浓度（Kang等人，2019年；Sarma等人，2024年）。这降低了传统热解技术常伴随的二次扩散风险。同时，BC可以为污染土壤提供养分，促进土壤肥力的恢复，同时去除PAHs（Abubaker等人，2019年；Jing等人，2020年；Kookana等人，2011年）。此外，BC具有优异的微波吸收性能。作为微波吸收剂，它协同增强了极性分子的微波能量吸收，促进了污染土壤中高温热点的快速形成，从而提高了微波向热能的转换效率（He等人，2024年）。值得注意的是，由于生物质热解的高碳封存潜力，BC增强的热修复技术将每吨土壤处理的温室气体排放量从传统的高温热解方法的357公斤二氧化碳当量显著降低到105公斤二氧化碳当量（Hou等人，2016年；Yu等人，2025年）。
基于这些优势，生物炭增强的微波（BEM）修复工艺为处理PAHs污染土壤提供了一种有前景的方法。本研究旨在：（1）表征吸附材料的形态、孔结构和热稳定性；（2）使用低环菲（Phe）和高环芘（Pyr）作为代表性PAHs，比较BC与分子筛（MS）的吸附行为和容量；（3）通过多因素正交实验和单因素实验研究关键参数（微波功率、修复时间、土壤含水量和吸附剂用量）对修复效果的影响，并探索潜在的修复机制；（4）通过生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）评估BEM工艺在PAHs去除效率、能耗和碳排放方面的性能。这项研究为改进基于微波的PAHs污染土壤修复技术提供了理论基础，并扩展了微波增强技术的应用潜力。
化学物质和材料
本研究中使用的化学物质详细列在表S3中。BC是通过在氮气氛围下对秸秆粉进行厌氧热解制备的，具体步骤见文本S1。BC在60°C下烘烤4小时，研磨至通过60目筛子后备用。ZSM-5沸石MS由江苏国策新材料科技有限公司提供，研磨至60目粒度后备用。
测试土壤的制备程序见
吸附剂的性质
污染物的环境归趋受吸附剂的可用结合位点和传质阻力的影响。因此，研究了BC和MS的微观结构、粒径分布和热稳定性。如图1a–b所示，20 μm尺度的BC颗粒具有不规则的形态。在更高放大倍数（5 μm）下，BC表面显得光滑，由密集堆积的管状簇组成，孔径大小为1–3 μm。
结论
本研究开发了一种BEM工艺，用于高效修复PAHs污染的土壤。BC对菲的吸附能力为303.10 mg/g，对芘的吸附能力为164.49 mg/g，优于MS。在优化条件下（微波功率600 W，含水量10%，处理时间10分钟，吸附剂用量5%），该工艺对菲的去除效率达到了77.33%，对芘的去除效率达到了74.58%，其生物可利用性去除率分别达到了90.48%和86.47%。
作者贡献声明
王浩庄：撰写——初稿。王燕：正式分析、数据管理。张慧英：软件、资金获取。卢瑶：验证、调查。赵如金：监督、资源协调。Malcom Frimpong Dapaah：撰写——审阅与编辑、验证。Abdallah Abdelfattah：资源协调。谢青杰：方法学、调查。贾慧：撰写——审阅与编辑、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（32301420）和中国西藏自治区的科技项目（XZ202502ZY0072）的支持。
