综述：电芬顿工艺作为高级处理方法的潜力：应对欧盟关于从废水中去除微量污染物的新法规

《Current Opinion in Electrochemistry》：The potential of the electro-Fenton process as a quaternary treatment: Addressing the new European Directive for micropollutants removal from wastewater

本文综述了电芬顿工艺在欧盟2024/3019法规框架下处理持久性微污染物的研究进展，指出该技术可有效降解苯并三唑、药物化合物等，但存在4-甲基苯并三唑等5类污染物去除数据不足、中性pH异质系统及规模化装置设计待突破等问题。

　　

Dania Leyva-Ruiz | Luis A. Godínez | José Trevi?o-Reséndez | Irma Robles | Joséué Daniel García-Espinoza

循环经济化学研究中心（CIQEC），化学系，克雷塔罗自治大学，大学中心，76010 克雷塔罗，克雷塔罗州，墨西哥

摘要

欧洲议会和理事会最近通过的《2024/3019号指令》规定了城市废水处理的强制性四级处理工艺，以去除持久性微量污染物，如药物化合物和苯并三唑类物质。在这项新要求的框架下，本综述概述了电芬顿（electro-Fenton）工艺在去除这些微量污染物方面的最新进展，证明了该技术是满足新监管标准的可行替代方案。然而，鉴于目前关于4-甲基苯并三唑、5-甲基苯并三唑、阿米舒普利（amisulpride）、西酞普兰（citalopram）和坎地沙坦（candesartan）等污染物的文献数据匮乏，仍需进一步研究。此外，为了实现电芬顿工艺的大规模应用，未来需要发展中性pH值的异质系统、在环境相关浓度下的实际基质测试以及节能反应器设计。

引言

水资源短缺是本世纪最紧迫的全球挑战之一，威胁着环境稳定、经济发展和人类福祉[1]，[2]。水资源需求与可用性之间的差距凸显了制定可持续管理策略以确保未来几代人水安全的迫切性。在此背景下，再生水的再利用已成为缓解这一挑战的可行且可持续的解决方案[3]，[4]。再生水是指经过处理后符合特定质量标准的废水，可用于农业、工业甚至城市用途[5]。其应用有助于保护淡水资源，减少环境污染，并支持向循环水经济模式的转型[6]，[7]。与其将废水视为不可避免的副产品，不如将其视为一种可再生资源，能够生产出适合多种非饮用及某些情况下可饮用用途的高质量再生水[8]。然而，传统处理系统往往无法有效去除水中日益增多的微量污染物[9]。这些由现代技术和工业发展产生的污染物即使在微量浓度下也会对生态和健康构成潜在风险[10]，[11]。为确保再生水符合日益严格的质量和安全标准，开发尖端处理技术至关重要[12?]。随着对扩大废水再利用需求的增加，针对处理后废水中微量污染物的环境和公共卫生问题的监管框架也开始不断完善。其中一个重要转折点是欧洲议会和理事会发布的《2024/3019号指令》（EU 2024/3019），该指令为城市废水收集、处理和排放制定了更严格的指导方针。该指令首次规定了专门的四级处理阶段，旨在去除微量污染物，并计划逐步在大型污水处理厂（WWTPs）中全面实施这一规定，目标是在2045年前完成[14]。该指令特别针对药物、抗生素、个人护理产品、苯并三唑类物质、全氟和多氟烷基物质、微塑料和重金属等污染物，因为它们在环境中的持久性和潜在风险[14]。该指令要求至少去除表1中列出的13种关键物质中的6种的80%[13??]。表1中的大多数物质是药物，它们可能通过多种途径进入废水系统，包括未代谢的药物成分、不当丢弃的药物或工业废水[15]。此外，由于三唑类物质在工业冷却系统、家用洗洁精、金属加工液等中的广泛应用，它们也会进入废水流[16]。该政策明确区分了三级处理和四级处理的目标，并认识到需要先进工艺来实现这些严格目标。吸附、臭氧化和高级氧化工艺（AOPs）等技术因其在去除新兴污染物方面的良好效果而被认为是合适的候选方法[17]，[18]，[19]。在此背景下，电化学高级氧化工艺（EAOPs）因能够高效降解持久性有机污染物、具有操作灵活性且对化学试剂的依赖性较低而变得越来越重要[20]，[21]，[22]，[23] [24]。在各种可能发展成为高效四级处理技术的EAOPs中，电芬顿方法尤为值得关注[25??]。众所周知，在这一过程中，羟基自由基（•OH）是由Fe²⁺离子与电生成的过氧化氢（H₂O₂）反应产生的[23]，[24]，[26]。

EAOPs可能会产生活性氯或活性溴等物质，这些物质可能因形成有毒卤化副产物而带来环境风险[27]，[28]。然而，电芬顿工艺具有显著优势，因为主要氧化剂•OH的半衰期极短[29]，这确保了它在废水排放到水体之前几乎瞬间被消耗掉，从而防止了对自然环境中有益微生物和浮游植物的氧化损害。本简述介绍了电芬顿工艺在去除EU 2024/3019指令中列出的微量污染物方面的科学优势和技术潜力。如图1所示，过去15年中发表了108篇关于电芬顿工艺及其所针对的微量污染物的研究文章（圆圈的面积与文章数量成正比）。卡马西平（carbamazepine）的降解相关文献最多（蓝色圆圈，占50%），其次是双氯芬酸（diclofenac，绿色圆圈，占32.4%）和美托洛尔（metoprolol，红色圆圈，占8.3%）；其他微量污染物的相关文献占比不到3.7%。使用所选搜索标准未找到关于4-甲基苯并三唑、5-甲基苯并三唑、阿米舒普利、西酞普兰和坎地沙坦的文章。表2汇总了电芬顿工艺对多种微量污染物的去除效率及其最佳操作条件。对表2数据的分析表明，使用合成介质时可获得更高的去除效果，因为实际废水基质中含有天然有机物和溶解固体，这些成分增强了•OH的清除能力。此外，表2数据显示大多数研究使用硼掺杂金刚石（BDD）或尺寸稳定阳极（DSA）等阳极，虽然这些阳极能最大化•OH的产生，但成本较高，这成为大规模四级处理的重大障碍。

催化剂和系统的进展

近期研究致力于开发新型异质催化剂，以克服传统电芬顿工艺的局限性，例如防止铁沉淀所需的狭窄操作pH范围。双金属催化剂显示出显著潜力。例如，在亚硫酸盐激活的电芬顿工艺中使用的双金属FeMn@C催化剂通过加速Fe²⁺/Fe³⁺和Mn²⁺/Mn³⁺循环，显著提高了双氯芬酸的降解效率（高达97.8%）[52]

接近实际条件下的工艺应用

除了材料开发外，多项研究还评估了电芬顿工艺在接近实际应用条件下的性能，包括真实水基质、流动反应器和试点规模系统。处理复杂水基质是一个主要挑战。电芬顿工艺与阳极氧化结合使用，在处理含有卡马西平（11.4 μg L^-1）和双氯芬酸（3.4 μg L^-1）等物质的真实制药废水方面表现出高效

前景与未来展望

电芬顿工艺已被证明是去除欧洲城市废水处理指令中列出的微量污染物的潜在技术。然而，要将电芬顿工艺从有前景的实验室方法发展为可行的四级处理技术，未来的研究必须解决关键问题[26]，[61]。一个关键方面是从批处理模式向连续流系统的转变

利益声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

作者感谢墨西哥科学、人文、技术和创新秘书处（SECIHTI，CF-2023-I-939，APOYOLN-2025-I-16，CBF-2025-G-38）、CONAHCyT国家水科学技术实验室，以及克雷塔罗自治大学（FONFIVE-FQU-202415；FQU-202533；DistritoQro2025）对本工作的财政支持。Dania Leyva-Ruiz和José Trevi?o-Reséndez还感谢SECIHTI提供的相应奖学金。