综述：关于水系统中微污染物高级氧化工艺的批判性综述与更新：对金属-有机框架、混合金属氧化物、出水毒性及成本等方面的深入探讨

《Science of The Total Environment》：A critical and updated review on advanced oxidation processes for micropollutants in aquatic systems: Insights into metal–organic frameworks, mixed metal oxides, effluent toxicity, and cost

高级氧化过程（AOPs）可有效降解水体中微污染物，如药品、农药及内分泌干扰物。本文系统综述2019-2025年AOPs进展，重点比较独立与混合系统，发现电化学法（如电Fenton、电过硫酸盐）矿物化效率高且稳定，新型电极（如掺杂金刚石、Ti/SnO2-RuO2）和材料（MOFs、生物炭）显著提升性能。混合工艺（光-声-电化学耦合）去除率超90%，但经济性和规模化仍是瓶颈。研究强调太阳能驱动和模块化AOPs的经济可行性，同时指出副产物毒性、催化剂寿命及成本优化等关键挑战。

　　

Mukul Bajpai|Iddrisu Seidu|Erhan Gengec

土耳其科贾埃利大学环境工程系

摘要

微污染物（MPs），如药物、农药、内分泌干扰物、染料和工业化学品，在常规废水处理过程中难以被完全去除，因此需要采用高级氧化工艺（AOPs）来生成高价态自由基（OH、SO₄^?、Cl）。本文综述了2019年至2025年间AOP技术的发展，重点关注了其作用机制、电极/催化剂创新、混合AOP的协同效应、出水毒性以及经济可行性。本文的创新之处在于首次将独立AOP与混合AOP进行了系统比较，并纳入了金属有机框架（MOFs）、混合金属氧化物（MMOs）、生物电化学系统（BES）和微波辅助AOP等新兴技术进行综合评估。电化学过程（电Fenton、电过硫酸盐和电氧化）表现出更高的矿化效率和稳定性，这得益于硼掺杂金刚石（BDD）、Ti/SnO₂-RuO₂和CO₂改性生物炭等先进电极的支撑。光化学、声化学和混合过程实现了超过90%的微污染物去除率，其中混合系统由于多途径自由基生成而始终优于独立方法。通过EC₅₀/LC₅₀框架进行的结构化毒性分析证实了显著的解毒效果，但基于臭氧的AOP需要严格控制副产物。经济比较表明，太阳能驱动和模块化AOP在低收入和中等收入地区具有可行性。同时，研究还指出了在扩大规模、成本控制、副产物处理和催化剂长期稳定性方面的关键挑战，为未来可持续应用AOP提供了方向。

引言

水是所有生命形式不可或缺的资源，与农业、工业和家庭活动等人类活动紧密相关。然而，来自各种来源的微污染物（MPs）或新兴污染物（CECs）会进入饮用水源、河流和地下水等重要水体（Aguilar-Aguilar等人，2023；Kumar等人，2022）。即使这些化合物的浓度仅为ng/L至μg/L，也会严重影响水质和生态系统稳定性（Pastorino和Ginebreda，2021）。这些污染物包括家用产品、药物、工业化学品、多环芳烃（PAHs）、内分泌干扰物（EDCs）、农药、阻燃剂、表面活性剂和痕量金属，对人类健康和水生生态系统构成重大威胁，尽管其整体影响尚未完全了解（Ismanto等人，2022；Kalita等人，2024）。

目前，大多数微污染物的排放法规和出水标准仍较为有限。为应对这一挑战，欧盟2000/06/CE水框架指令确定了45种优先处理化合物，包括农药、重金属、PAHs和内分泌干扰物，并要求在排放前将其从废水中去除（Belete等人，2023）。此外，欧盟2015/495/EU决定还建立了微污染物监测清单，涵盖了广泛的合成和天然化学品（Barbosa等人，2016）。除了欧盟水框架指令和监测清单外，其他国际监管机构也认识到了微污染物的危害。例如，美国环境保护署（US EPA）被要求为药物、全氟和多氟烷基物质（PFAS）及内分泌干扰物等污染物制定健康建议阈值和监测标准。世界卫生组织（WHO）制定了全球饮用水质量标准，包括农药残留物、药物和消毒副产物（Levin等人，2024）。在拉丁美洲，墨西哥和巴西等国也制定了针对地表水和饮用水中新兴污染物的国家标准，这些标准通常与WHO或区域框架协调一致（Morin-Crini等人，2022）。这些全球努力凸显了人们对先进处理技术的需求，并强调了AOP在解决微污染问题中的国际重要性。

研究表明，常规废水处理工艺仅能部分去除微污染物，导致其通过出水排放和污泥处置重新释放到环境中（Kurt等人，2022；Nasir等人，2024）。如果废水处理厂未能有效去除这些化合物，可能会对接收水体的野生动物造成不利影响，虽然不会直接造成伤害，但长期暴露仍存在风险（Ahmed等人，2017）。这些限制凸显了开发能够非选择性降解化学耐性微污染物并将其转化为危害较小的产物的处理技术的迫切性，从而需要开发和应用高级氧化工艺作为补充或三级处理手段。

章节摘录

动机与其他相关文章的差异

本文全面分析了2019至2025年间用于废水处理中微污染物去除的高级氧化工艺（AOPs），涵盖了相关文献。重点介绍了混合金属氧化物（MMO）电极在阳极氧化中的应用、金属有机框架（MOFs）、生物电化学系统（BES）以及AOP处理后的实际出水毒性评估。同时，还探讨了经济可行性。

水中微污染物的存在与归趋

城市化进程加快和生活方式变化导致环境中各类微污染物数量迅速增加（Eregowda和Mohapatra，2020）。尽管污水处理厂（STPs）经过多级处理，但由于微污染物具有高水溶性、抗生物降解性和强电子吸引官能团（如卤素、磺酰胺和芳香环）等特性，许多微污染物仍难以被完全去除。

AOPs的基本原理与发展

AOPs的基本原理及涉及的氢提取途径（公式（S1）详见补充文件。表1列出了某些关键氧化剂的氧化还原电位（ORP）。

AOPs与其他处理方法的结合

大多数AOP研究关注痕量级微污染物，但实际 pharmaceutical 和医院废水中含有高浓度的污染物（g/L COD），因此单独使用AOPs效果不佳。为了达到排放标准，AOPs越来越多地与物理或生物工艺结合使用，从而实现了更高效、经济且可扩展的工业废水处理方法。

表5展示了基于混合AOP系统的最新进展，这些系统能有效去除多种微污染物。

AOPs处理后废水出水的毒性

添加的化学物质、微污染物的物理化学性质、反应时间不足以及各种有机和无机物质的共存可能会影响AOP处理后出水的毒性（Ma等人，2016）。污染物并不能总是被完全降解，产生的副产物可能比原始污染物更具毒性。这些副产物的形成和转化取决于反应时间和反应方式。

经济评估

AOPs的成本评估对其大规模应用至关重要。基于羟基自由基的AOPs（如经典的Fenton工艺）通常比基于硫酸根自由基的系统更经济，因为所需的氧化剂价格较低。然而，Fenton工艺的成本受过氧化氢使用量和污泥处理的影响，铁污泥可能属于危险废物（Domingues等人，2022）。基于紫外线的系统能耗高且灯管更换成本高，不过太阳能紫外线可以降低这些成本。

总结与结论

本文全面总结了2019至2025年间用于废水处理中微污染物降解的AOPs技术，对比了独立系统和混合系统的优缺点。独立方法如Fenton、UV/H₂O₂和电Fenton依赖于单一自由基生成途径，虽然有效，但受pH值、污泥生成和能耗的限制。补充文件中的表S6提供了比较框架。

挑战与未来展望

尽管取得了重大进展，但仍存在若干限制AOP大规模应用的挑战。高能耗工艺和昂贵的氧化剂（如H₂O₂、过硫酸盐、臭氧）影响经济可行性，严格的pH值要求（如Fenton工艺）、污泥生成和电极污染也是技术瓶颈。混合系统虽然效率高，但反应器配置复杂且维护成本较高。光催化过程受太阳光利用率和量子效率的限制。

作者观点

综合近期文献可知，AOPs的未来方向在于混合化、分散化和成本降低。混合AOP通过结合多种自由基生成途径，实现了更高的降解效率（多种微污染物超过90%）和降低的出水毒性，但复杂性和成本仍是普及的障碍。相比之下，独立系统简单且成本较低，但在某些方面存在不足。

CRediT作者贡献声明

Mukul Bajpai：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论、研究设计、概念构建。Iddrisu Seidu：撰写——审稿与编辑、可视化制作、资料收集。Erhan Gengec：撰写——审稿与编辑、监督、资料收集、方法论、研究设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢匿名审稿人和编辑提出的宝贵意见和建设性建议，这些意见有助于提升论文质量。