综述：高级氧化工艺（AOPs）与膜生物反应器（MBRs）在废水处理中的集成：综述

《Separation and Purification Technology》：Integration of Advanced oxidation processes (AOPs) and Membrane Bioreactors (MBRs) for wastewater treatment: A review

膜生物反应器（MBR）与高级氧化过程（AOPs）的协同增效技术可显著提升难降解有机物、微污染物及抗生素抗性基因的去除效率，同时缓解膜污染问题。本文系统综述了预处理、共处理及后处理三种集成模式，涵盖紫外/过氧化氢、臭氧、光催化、电化学及等离子体等多元化AOPs技术，强调其通过自由基氧化增强生物降解能力、延长膜寿命及满足回用水质标准的优势，同时指出能耗高、催化剂失活及规模化瓶颈等挑战，为可持续废水处理提供理论支撑。

　　

Vahid Vatanpour | Shayan Shitreh | Bahriye Eryildiz-Yesir | Kubra Ulucan-Altuntas | Hale Ozgun | Mustafa Evren Ersahin | Ismail Koyuncu

应用化学系，化学学院，Kharazmi大学，德黑兰15719-14911，伊朗

摘要

随着工业和市政废水中含有药物、染料、内分泌干扰物以及难降解有机污染物的复杂性不断增加，传统的生物和物理处理方法已不足以满足需求。膜生物反应器（MBR）通过结合生物降解和膜过滤技术，成为产生高质量出水的高效手段。然而，其性能受到膜污染和非生物降解污染物持续存在的限制。高级氧化工艺（AOPs）能够生成高活性自由基，为降解顽固有机物和提高出水质量提供了补充途径。本文详细探讨了AOPs与MBR在不同配置下的集成方式，包括在生物处理之前、期间或之后应用AOPs。具体混合系统包括紫外/过氧化氢（UV/H?O?）、臭氧氧化、过硫酸盐氧化、芬顿反应、光催化、电化学方法、超声波处理、等离子体和电子束处理等。这种集成方式的协同效应包括改善污染物降解效果、减少膜污染、增强消毒效果以及提高水资源再利用潜力。同时，也讨论了能源需求、运营成本、催化剂稳定性和可扩展性等挑战。总体而言，AOP–MBR集成方案为可持续废水处理提供了具有前景的未来方向，符合全球水资源再利用、资源回收和环境保护的目标。

引言

清洁卫生用水的获取限制在世界许多地区构成重大挑战，这一问题因人口增长、城市化和气候变化而日益严重。快速的城市化和工业化导致了大量含有有毒有机污染物、重金属、氨等营养物质以及复杂有机和无机化合物的废水的产生[1]。全球超过80%的废水未经处理直接排放回生态系统[2]。未经处理的废水直接排放会引发严重的环境污染并对人类健康构成威胁[3]。为解决这些问题，人们广泛采用了物理、化学和生物处理技术。不同的水处理技术适用于不同的回用水用途，以及能量和成本要求、处理设施占地面积等限制条件[4]、[5]、[6]。 有许多废水处理方法，如物理方法（分离和吸附）、化学方法（混凝-絮凝、氧化）和生物方法（活性污泥、序批反应器）[7]。其中，膜生物反应器（MBR）技术作为一种高效紧凑型技术，被广泛应用于工业和市政废水处理[8]、[9]。MBR技术结合了生物处理和膜过滤，有效去除悬浮固体（SS）和可生物降解有机物，从而产生高质量出水。MBR使用的活性污泥混合液包含多种成分，如富里酸和胡敏酸、底物、细菌、蛋白质、碳水化合物、可溶性微生物产物（SMP）和胞外聚合物物质（EPS），这些成分会导致膜污染[10]、[11]。MBR具有系统紧凑、出水质量高和污泥产量低等优点[12]、[13]。然而，某些微量污染物、药物和难降解有机化合物仍难以被生物降解，限制了MBR系统的整体效果[14]、[15]。膜污染是MBR面临的主要问题之一[16]。为解决这些问题，采取了多种策略，如优化工艺参数、通过向膜基质中添加纳米粒子来改善膜性能，以及与高级氧化工艺（AOPs）集成[17]。 由于AOPs和MBR的互补优势，它们的集成在现代废水处理中具有重要意义。AOPs能生成高活性自由基（主要是羟基自由基（•OH），可非选择性地将顽固和有毒有机污染物降解为更简单、危害较小的化合物[18]、[19]。真正实现高效去除顽固污染物的新兴混合技术是AOPs与MBR的集成，因为这两种技术可以互补各自的优势并弥补各自的局限性[20]。AOPs与MBR集成的优缺点详见表1。当与MBR集成时，AOPs可提供额外的净化步骤，确保去除微量污染物、增强消毒效果并提升整体水质。该集成系统具有多种优势：降低膜污染风险、延长MBR使用寿命，并能够满足严格的排放标准或生产适合再利用的水[21]。此外，通过仅针对需要氧化的部分废水来优化能耗，而非对整个废水流进行处理，从而实现能源消耗的最优化。最终，MBR与AOPs的协同作用为先进废水处理和水资源回收提供了一种稳健、可持续且经济高效的方法。 图1显示了关于MBR与AOPs集成研究的出版物数量。 多项综述文章探讨了AOPs与基于膜的系统的集成在废水处理/修复中的应用。部分研究将AOPs与膜反应器或膜生物反应器结合使用[48]、[49]、[50]。然而，这些研究主要关注传统AOPs，未涵盖近年来备受关注的新兴氧化技术，如冷大气等离子体氧化和电子束辐射。此外，在大多数现有综述中，AOPs通常与生物处理过程结合讨论，而没有专门系统地评估膜生物反应器作为独立多功能单元的作用[51]、[52]、[53]。值得注意的是，MBR在AOPs之前的或之后的配置对其工艺性能和污染控制的影响尚未得到充分研究。本文通过对不同配置的详细评估，结合了成熟的和新兴的AOPs技术，填补了现有综述文献中的空白。 本文旨在探讨MBR与AOPs在废水处理中的集成应用。研究内容包括不同集成策略，如AOPs在MBR系统之前的或之后的应用，以及各种组合配置。特别关注了基于紫外（UV）、臭氧、芬顿反应、光催化、电化学、超声波、等离子体和电子束等方法的集成方式。通过系统回顾这些方法，本文旨在突出其优势、局限性以及在水资源可持续利用和环境保护方面的潜力。

MBR与AOPs的集成

可以通过多种技术将MBR与AOPs集成，以提高污染物去除效率和运行可持续性。最常见的策略是后处理集成，即将MBR处理后的出水引入AOP单元，例如臭氧氧化、紫外/过氧化氢（H?O?）或光催化[54]、[55]。这种方法能有效净化出水，进一步降低难降解有机化合物和微量污染物的含量，并可能具有消毒效果。

MBR与UV的集成

基于UV的AOPs结合了UV照射（主要是UV-C）和自由基促进剂，以增强污染物降解。UV光的作用波长低于可见光（400 nm）但高于X射线（100 nm），常作为有机污染物和废水处理中的天然消毒剂[50]、[65]。在直接光解过程中，UV活性的微量有机物质会吸收与其吸收峰相匹配的光子

未来研究方向、挑战与展望

AOPs与MBR的集成是克服传统废水处理技术局限性的重要进展。虽然MBR在结合生物降解和有效固液分离方面表现出色，但其在去除药物、染料、内分泌干扰物、抗生素抗性因子和聚合物有机物等顽固污染物方面存在不足[16]。相比之下，AOPs能够有效解决这些问题

结论

MBR与AOPs的集成为应对新兴污染物、满足水资源再利用需求和应对严格的排放标准提供了有力途径。然而，这些系统的未来成功取决于在可持续性、经济可行性和运行韧性方面实现系统级优化。这需要工程师、化学家、环境科学家和数据科学家的跨学科合作 利益冲突声明 作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系 致谢 作者感谢伊斯坦布尔技术大学（土耳其）和Kharazmi大学（伊朗）提供的财务支持