采用中空圆柱形Ti–TiO?/IrO?/RuO?网状电极结合生物降解技术实现电氧化与生物降解的集成，用于医院废水的可持续处理

《Bioresource Technology Reports》：Integrated electro-oxidation using a hollow cylindrical Ti–TiO?/IrO?/RuO? mesh electrode and biodegradation for sustainable treatment of hospital wastewater

本研究采用Ti-TiO?/IrO?/RuO?网状电极电氧化预处理医院废水，结合Priestia flexa微生物降解，显著降低COD（96%）、BOD（95%）和TOC（85%），并通过生态毒性测试验证其环境安全性，提出了一种高效、可持续的废水处理策略。

　　

Vinoth Kumar Palur Manoharan | Madhan Kumar Pichandi | Adikesavan Selvi | Babujanarthanam Ranganathan | Sudharsan Kasirajan

微生物学系，Vels科学与技术及高级研究学院（VISTAS），Pallavaram，金奈，泰米尔纳德邦，600035，印度

摘要

原始医院废水含有高有机负荷、活性药物残留物以及令人担忧的环境参数，因此对环境构成了重大风险。本研究在最佳条件下使用Ti–TiO?/IrO?/RuO?网状电极对医院废水（HWW）进行了电氧化（EO）处理，通过微生物过程降解了脱矿后的中间有机化合物。16S rRNA系统发育分析确认分离出的细菌为Priestia flexa，它在生物降解过程中发挥了重要作用。20天后，化学需氧量（COD）降低了96%，生化需氧量（BOD）降低了95%，总有机碳（TOC）降低了85%。高分辨率扫描电子显微镜（HR-SEM）和能量色散X射线光谱（EDAX）分析表明，电极的设计和性能在多次EO循环中保持稳定。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和气相色谱-质谱（GC–MS）研究显示关键官能团已被消除。此外，水质的生态毒理学评估和植物毒性研究表明，综合处理方法效果显著。即使使用25微升的处理后的废水，斑马鱼的胚胎发育也正常。因此，这种综合方法被证明对处理医院废水非常有效。

引言

医院废水（HWW）是一种复杂且潜在有害的废水类型，在全球范围内备受关注，因为它具有多重耐药性特征，含有多种有害物质，并且是抗菌素耐药性的来源（Kumari等人，2020年）。药物残留物、细胞毒性药物、消毒剂、溶剂、致病微生物、耐抗生素微生物、重金属、放射性同位素以及治疗过程中的代谢副产物都是工业和医院废水中特有的污染物（Pariente等人，2022年）。这些污染物不仅对水生生态系统构成威胁，也对农业系统、公共健康和长期生物多样性构成威胁（Ogwu等人，2025年）。未经处理或处理不当的医院废水直接排入下水道，导致受污染的水体出现土壤/地下水污染、富营养化、生物累积、内分泌干扰以及耐药微生物菌株的传播（Oliveira，2018年）。 传统医院废水的物理化学负荷较高，包括高化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、总溶解固体（TDS）、总悬浮固体（TSS）和氯化物浓度，其深棕色和难闻的气味（硫化氢H?S、氨NH?）以及挥发性有机烃的存在使其与其他类型的废水有所不同（Akin，2016年；Devda等人，2021年）。尽管已经报道了许多修复方法，但电氧化（EO）是一种有效的方法，其原理是基于阳极氧化，在电极表面直接氧化污染物，或通过电化学生成羟基自由基（•OH）、过氧化氢、臭氧和活性氯（HOCl、OCl?）等物质间接氧化污染物。这些电极（如尺寸稳定的阳极DSAs，如钛（Ti）–二氧化钛（TiO?）/氧化铱（IrO?）/氧化钌（RuO?））具有化学稳定性、导电性和高氧化能力，从而能够快速去除COD和BOD，灭活病原体，并部分矿化复杂有机物（Bhandari等人，2023年；Vinoth Kumar等人，2025年）。因此，电极的选择和设计对EO过程的效率至关重要。在本研究中，我们设计了一种中空圆柱形网状电极并进行了相关实验。 综合工艺结合了两种不同的方法，这种方法在各种环境基质中显示出高效的修复效果，并解决了大规模应用的主要问题（Selvi等人，2019年）。本文报道了一种结合电氧化和微生物介导的生物降解的综合工艺，这种策略具有可持续性，其中电氧化作为预处理步骤，用于降低高浓度污染物，消除病原体，并将难降解的有机物转化为更易生物降解的中间体，随后由微生物群落进一步高效矿化（Oluwole等人，2020年；Nidheesh等人，2022年）。 Priestia flexa是一种革兰氏阳性、杆状、产孢、耐盐的细菌，从医院废水中分离出来，其16S rRNA序列相似度为99.7%（GenBank登录号PQ220112），在降解医院废水方面表现出优异的潜力。电氧化过程通过自由基途径进行，其中羟基自由基和活性氯物质非选择性地攻击化学键，导致非活化键的氧化断裂和快速脱色。生物降解则通过特定底物的酶促途径进行，虽然速度较慢，但有助于有毒化合物的完全且环保的矿化（Bagade和Doke，2025年）。 这种电氧化-生物降解组合工艺不仅有效去除了化学污染物，还确保了环境安全，这一点通过生态毒理学测试（如植物毒性测试Satheeshkumar等人，2024年）和基因毒性研究（Tenorio-Chávez等人，2020年）得到了证实。因此，在本研究中，开发了一种利用电氧化（采用中空圆柱形Ti–TiO?/IrO?/RuO?网状电极）和Priestia flexa微生物生物降解的综合处理工艺。这种新型网状电极由于其增强的传质能力、氧化剂生成量和高稳定性，在优化的电流密度下促进了医院废水的降解。此外，本研究还首次探讨了P. flexa对医院废水的生物降解潜力。通过紫外-可见光谱（UV–Vis）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、气相色谱-质谱（GC–MS）和总有机碳（TOC）分析以及一些关键环境参数的研究，验证了我们的发现。因此，本研究提供了一种经济、可扩展且环保的电生物复合策略，用于医院废水的可持续处理和回收。

化学品

高纯度化学品包括：矿物盐培养基（MSM）、溶原液（LB）、(CH?)?SO?、营养琼脂（NA）、溴化钾颗粒（KBr）、硫酸汞晶体（HgSO?）、重铬酸钾（K?Cr?O?）、硫酸铁铵晶体((NH?)Fe(SO?)?·2H?O)、硫酸银晶体（Ag?SO?）、盐酸（HCl）、硝酸（HNO?）、浓硫酸（H?SO?）、正磷酸（H?PO?）、碘化钾钼酸盐((NH?)?Mo?O??·4H?O)、二苯胺

医院废水的收集

废水从印度泰米尔纳德邦Vellore的一家医院收集。收集了储存约20天的25升静置废水，将其装入高密度聚乙烯容器中。样品被送往位于印度Pallavaram的Vels大学微生物学和分子研究（MMR）实验室。收集的样品在4–8°C的冰箱中保存，直至后续分析过程。

实验装置和电氧化过程

EO反应器由8毫米厚的玻璃制成，总体积为600毫升

医院废水的物理化学特性

原始医院废水的pH值为7.42±0.20，浊度为13±0.10（Nephelometric Turbidity Unit，NTU），总溶解固体（TDS）为4567±26.0 mg/L，总悬浮固体（TSS）为2836±21.0 mg/L，电导率为1691±5.0 μS/cm，硬度为1400±12.5 mg/L，碱度为680±11.5 mg/L，钙含量为480±3.0 mg/L，镁含量为160±5.0 mg/L，氯化物含量为1800±16.0 mg/L，硫酸盐含量为980±13.0 mg/L，总凯氏氮含量为140±2.0 mg/L，硝酸盐含量为35±2.5 mg/L，氨含量为3.0±0.3 mg/L，化学需氧量（COD）为3000±18.0 mg/L，生化需氧量（BOD）为1300±9.0 mg/L

结论

研究表明，采用Ti–TiO?/IrO?/RuO?网状电极和Priestia flexa介导的微生物生物降解相结合的方法是处理医院废水的有效且可持续策略。电氧化在15.5 mA/cm2的电流密度下7小时内可快速降低COD 96%，这一效果是通过生成羟基自由基实现的，尽管仍残留有氯化物和硫酸盐离子。随后的生物降解过程进一步降低了总有机碳（TOC）

CRediT作者贡献声明

Vinoth Kumar Palur Manoharan：撰写原始稿件、方法论设计、数据分析、概念构建。 Madhan Kumar Pichandi：撰写原始稿件、验证、软件使用、资源管理、数据分析。 Adikesavan Selvi：审稿与编辑、验证。 Babujanarthanam Ranganathan：验证、软件使用、资源管理、数据分析。 Sudharsan Kasirajan：审稿与编辑、结果可视化、验证、项目监督。

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的研究结果。