《Separation and Purification Technology》：Biomass for contaminant removal: A critical review of Misconceptions, realities, and the lab-to-industry gap
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可持续水处理中生物质材料的实验室与工业应用鸿沟及评估体系优化
M.E. 特雷霍-卡巴列罗 | 阿尔贝托·埃利萨尔德-马塔 | 埃米利奥·瓜达多-鲁伊斯 | 马伦·A·冈萨雷斯-雷纳 | 米里亚姆·埃斯特韦斯
墨西哥国立自治大学，应用物理与先进技术中心，胡里基利亚大道3001号，克雷塔罗76230，墨西哥
摘要
随着对水处理中可持续分离方法需求的增加，人们开始研究基于生物质的材料，作为传统物理化学技术的替代品或补充。营养物质、金属阳离子和新兴污染物在水环境中持续存在，而现有分离技术的经济和环境成本限制了它们的广泛应用。尽管许多实验室研究表明这些材料的去除效率很高，但基于生物质的系统在工业中的应用仍然有限。虽然这些材料因其低成本和低环境影响而受到赞誉，但我们质疑“基于生物的材料就等同于可持续性”这一观点。
我们探讨了材料简单性与功能持久性之间的权衡，强调为了提高选择性和结构稳定性而进行的广泛修改往往会导致能量和化学负担的增加，从而降低整体生命周期效益。在比较不同系统的技术成熟度时，我们发现植物修复等自然解决方案已经达到了试点阶段的成熟度（TRL 6-8）。相比之下，人工生物吸附剂由于再生性能差和在复杂实际条件下的性能下降而处于较低水平。
最后，本文建议改变评估指标：从理想化的最大吸附容量转向考虑多污染物干扰、连续流测试和寿命管理的标准化协议。通过将技术经济现实与生命周期评估相结合，可以为从实验室规模替代方案向可扩展的、具有商业可行性的循环水经济支柱的转变提供更现实的路径。
引言
随着与饮用水供应有限和水体污染加剧相关的全球挑战的增加，开发更高效和可持续的修复技术变得至关重要[1]。最常用的水处理方法包括物理、化学和生物方法，如过滤、沉淀、氯化作用和吸附。然而，这些方法存在一些问题；例如，虽然它们对宏观参数、浊度、悬浮固体和某些病原体效果良好，但对农药和药品等新兴污染物的去除效果不佳[2]。此外，使用氯化剂和其他消毒剂会产生有害副产品，可能影响人类健康[3]。传统水处理的另一个重大挑战是高能耗和高成本，尤其是在需要多步骤处理复杂污染物混合物时[4]。
水生植物（如凤眼莲、浮萍、水生莴苣和Myriophyllum spicatum）因其快速生长、高生物量生产和在污染环境中的耐受性而具有优势，有助于解决这些问题。植物通过植物提取、根际过滤和植物降解机制去除阳离子金属、营养物质和有机污染物，使其适用于自然和人工湿地系统[5]。此外，大型藻类（如Ulva lactuca和Fucus vesiculosus）以及微藻Chlorella和Scenedesmus在通过生物吸附和生物累积去除污染物方面发挥着关键作用，并具有资源回收的潜力，例如生产生物燃料[6]。
另一方面，生物质在水处理中的应用已成为环境技术领域最有前景和可持续的选择之一。因此，基于植物的系统作为二级或三级处理方法时，因其成本效益、可持续性和能够针对多种污染物而成为传统水处理的吸引人的替代方案。生物质的优点，如广泛可用性、低成本以及可以再利用农业和生物废物的潜力，增加了将其用作吸附剂在生物吸附、混凝和絮凝过程中去除无机和有机污染物、阳离子金属、染料和病原微生物的兴趣[7]、[8]、[9]、[10]。
生物质按类型、组成和数量分类，包括草本生物质、木材、水生生物质、动物生物质、人类废物和城市固体废物。这些类别受到生物质自然来源及其预期用途的影响[1]、[11]、[12]、[13]。然而，从批判的角度来看，使用生物质存在特定挑战和限制，包括由于来源不同导致生物质组成的变化、需要预处理以提高效率，以及处理过程中释放的二次化合物可能影响最终水质。此外，不同行业（如发电、肥料和材料）对生物质废物的竞争可能会限制其可用性或增加成本，特别是在工业规模扩大时[8]、[14]。
一些新兴的研究方向包括开发基于生物质的复合材料和纳米材料，应用绿色化学改性工艺（如控制氧化以获得纳米纤维素），以及整合结合微藻和细菌的生物处理方法，这些方法通过同时去除有机化合物和营养物质来提高效率[7]、[15]、[16]。
尽管关于基于生物材料的超高去除效率的出版物呈指数级增长，但一个关键悖论仍然存在：这些技术在全面工业应用中的稀缺性。早期研究（通常处于低TRL（1-3）阶段，使用批处理系统和合成解决方案）与高TRL实际应用之间存在显著差距。因此，许多材料在理想实验室条件下表现出色，但在实际废水处理场景中难以应对水力、机械和竞争挑战。本文不仅列举了吸附能力，还批判性地分析了阻碍将有前景的实验室结果转化为实际工业解决方案的工程和可扩展性障碍。
此外，本文还探讨了传统水处理的环保替代方案，重点介绍它们的工作原理、有效性和潜在益处，旨在提供全面而深入的分析，考虑技术、经济、生态和社会因素，为大规模水处理解决方案的实施提供新的见解。
基于生物的水处理技术分类
在分析特定生物质类别之前，有必要将其性能与已建立的商业吸附剂进行对比，因为后者在工业和市政水处理中占据主导地位，具有明确的动力学特性、机械稳定性和在固定床和连续流系统中的可靠运行。传统上，活性炭仍然是去除有机污染物和重金属的标准选择。其广阔的表面积和可调的孔隙率使其得到广泛应用
缩小差距：将实验室成功转化为工业应用
当前研究的一个关键问题是过于关注批处理实验（如平衡研究），这些实验无法反映实际动态环境中的过程运行情况。工业废水复杂，连续流动，流量、pH值和其他离子的存在经常发生变化。为了提高理解，未来的研究应更加重视连续流柱实验，以准确追踪突破点和水力保留时间。
此外，未来
实际可行性和部署潜力的比较分析
总体而言，基于生物的技术倾向于将成本从能源和材料转移到土地和运营时间上。虽然这可以减少能源相关费用，但限制了可扩展性，并在空间受限或高负荷情况下限制了适用性。因此，当环境协同效益和低能耗运行得到重视时，它们的经济竞争力会提高。
另一方面，基于生物的水处理系统的生命周期可持续性取决于
结论
将基于生物质的技术从实验室研究转化为工业应用需要从根本上改变衡量成功的方式。本文表明，虽然植物修复和藻类修复已经发展成具有高TRL（6-8）的可扩展框架，但其实际应用仍受到土地-能源权衡的限制。相反，基于生物质的吸附剂经常表现出性能差距；在受控条件下实现的高去除能力
关于手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本工作时，作者使用了AI辅助工具来提高手稿的清晰度和可读性，并改进某些图表的质量和视觉呈现（例如，图像清理、分辨率提升和风格统一）。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对整个手稿负全责。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
M. E. 特雷霍-卡巴列罗、阿尔贝托·埃利萨尔德-马塔和埃米利奥·瓜达多-鲁伊斯感谢SECIHTI提供的博士学位奖学金，以及马伦·A·冈萨雷斯-雷纳提供的博士后研究奖学金。此外，作者还感谢PAPIIT项目IG100824“专注于恢复沿海生态系统韧性的技术恢复和发展行动”的支持。
