综述：生物芬顿（bio-Fenton）、生物光芬顿（bio-photo-Fenton）和生物电芬顿（bio-electro-Fenton）作为新兴且可持续的废水处理技术的发展趋势

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Trends of bio-Fenton, bio-photo-Fenton, and bio-electro-Fenton as emerging and sustainable applications to wastewater treatment

生物增强型芬顿工艺可有效降解废水中的有机污染物，包括BF（生物芬顿法）、BPF（光催化生物芬顿法）和BEF（生物电芬顿法）。BF通过生物催化剂生成H2O2与Fe2+反应产生活性氧，分均相与多相体系；BPF利用紫外光增强Fe2+再生与·OH产率；BEF结合微生物燃料电池实现H2O2电化学生成与有机物同步降解。研究系统分析了各工艺的氧化机制、pH适应性、催化剂稳定性及处理效能，指出需解决催化剂失活、副产物控制等问题，并展望多技术耦合与规模化应用前景。

　　

恩里克·布里利亚斯（Enric Brillas）

巴塞罗那大学化学系材料科学与物理化学系，马蒂·伊·弗兰克斯路1-11号（Martí i Franquès 1-11），08028-巴塞罗那，西班牙

摘要

生物芬顿（Bio-Fenton, BF）、生物光芬顿（Bio-Photo-Fenton, BPF）和生物电芬顿（Bio-Electro-Fenton, BEF）能够有效去除实际废水和含有染料、药物及工业化学品的合成溶液中的有机污染物。本文综述了这些新兴废水处理方法的基本原理和应用。在均相BF过程中，生物催化剂与添加的Fe²⁺共同作用生成H₂O₂，进而通过芬顿反应产生氧化剂^●OH，该过程在酸性介质中效果最佳。在异相BF中，生物催化剂被固定在铁材料表面，通过表面Fe²⁺生成^●OH，适用于中性pH环境。BPF过程中，光照促进光芬顿反应产生额外的^●OH，从而加速氧化过程。BEF主要利用微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells, MFCs）实现，这些燃料电池通过质子交换膜将不同区域分开，通过芬顿氧化去除有机物并同时产生生物电能。阳极涂覆有生物膜，并通过营养液提供电子；阴极浸入含有污染物的废水中。在均相BEF中，阴极利用注入的O₂生成H₂O₂，并与可溶性Fe²⁺反应生成^●OH，最佳操作条件为酸性环境。异相BEF中，H₂O₂与固体铁催化剂或功能化铁电极表面的Fe²⁺反应。本文详细讨论了各方法的H₂O₂生成能力、降解/矿化效果、生成的氧化剂的作用、生物催化剂和电极的稳定性以及副产物。最后一部分探讨了这些技术未来的发展挑战和前景。

引言

随着城市化和工业化的加速，去除水环境中顽固性有机污染物（如工业化学品、染料、药物和农药）已成为全球性挑战[1]。工业用水占总用水量的约30%，每年约为2728亿立方米，导致约1267亿立方米的废水排放到环境中[2]。这些废水中含有大量顽固且高毒性的有机污染物，对人类和水生生态系统健康构成威胁。因此，处理后的废水被视为水回用的一个替代来源。然而，传统的水处理厂物理化学和生物处理方法存在效率低、运行成本高以及二次污染风险等问题[1]。好氧和/或厌氧生物处理方法无法有效去除大部分有机污染物，因为微生物群落无法将其作为代谢碳源[3]。为此，人们开发了多种替代方法，包括浮选、吸附、膜分离、电凝聚和高级氧化工艺（Advanced Oxidation Processes, AOPs）[3][4][5]。 AOPs基于生成强氧化剂（如羟基自由基^●OH）的化学、光化学和电化学方法[5][6]。这种具有高标准还原电位（E° = 2.80 V/SCE）的自由基可降解大多数有机污染物。其中，芬顿及其变体（如光芬顿和电芬顿）因其在现场通过H₂O₂与Fe²⁺反应产生大量^●OH而备受关注[7][8]。然而，这些方法在实际应用中存在诸多技术难题，如pH依赖性、铁污泥沉淀、催化剂失活、H₂O₂供应不稳定以及制备高效、稳定且可重复使用的催化剂和电极材料的问题。为克服这些问题，自2009年起出现了结合生物技术的芬顿基方法（如Bio-Fenton, BF、Bio-Photo-Fenton, BPF和Bio-Electro-Fenton, BEF）来去除有机污染物[1]。BF是一种创新系统，通过生物催化剂生成H₂O₂，随后在均相可溶性Fe²⁺或异相铁催化剂作用下进一步氧化有机污染物。BPF是在处理过程中同时照射光以增强氧化剂生成和光解去除效果。BEF利用微生物燃料电池（MFCs），其阳极和阴极分离。在阳极室中发生微生物细胞外电子转移，生成的电子传递到阴极室生成H₂O_{2》，再通过铁催化剂活化。也有将BEF与电渗析和光催化结合使用的报道。}

已有许多综述探讨了BF和/或BEF系统的特性，但缺乏针对BPF的专门研究。这些综述主要关注氧化剂的生成、操作系统的功能及先进催化剂的设计[1][2][3][4][6][9][10][11][12]，未能全面描述这些方法在废水处理中的应用。鉴于BF、BPF和BEF的广泛应用前景，我们通过Web of Science检索了相关文献，关键词包括这些方法及“有机污染物”。筛选出的英文科学文章涵盖了标题、作者和摘要等信息。最终选取了2010年至2025年间的83篇文章，其中BF相关30篇（36.1%）、BPF相关5篇（6.0%）、BEF相关48篇（57.8%）。这些文章报道了这些技术处理26种染料（31.3%）、21种药物（25.3%）、18种工业化学品（21.7%）在合成溶液中的效果，以及18种实际废水（21.7%）的处理情况。大部分文章（54.2%）发表于2022-2025年，表明对这些技术的研究日益活跃。

本综合评述旨在介绍BF、BPF和BEF的基本原理及其在去除不同水介质中有机污染物方面的应用。文章强调了各方法生成H₂O₂的能力、降解/矿化效果、所用系统、氧化剂的作用、生物催化剂和电极的稳定性以及副产物的情况。最后一部分详细探讨了这些技术未来的发展挑战和前景。

部分内容

生物芬顿（Bio-Fenton）

BF过程首先通过生物催化剂生成H₂O₂，随后与均相或异相Fe²⁺反应生成氧化剂^●OH，以破坏介质中的有机污染物。本节解释了不同生物催化剂的使用原理及其在废水处理中的应用。

生物光芬顿（Bio-Photo-Fenton）

关于BPF的文献较少，这是一种在处理过程中照射光的BF变体[43][44][45][46][47][48]。UVA光可促进Fe²⁺再生和通过光芬顿反应生成^●OH（6），该反应涉及pH接近3.0时最稳定的Fe³⁺羟基化形式Fe(OH)²⁺的光解[43]。此外，光还能光解某些有机污染物形成的Fe(III)复合物。公式（7）展示了这一过程的一般原理。

生物电芬顿（Bio-Electro-Fenton）

BEF是最受研究的基于生物芬顿的处理方法。相关研究包括使用微生物燃料电池（MFCs）[49][50][51][52][53][54][55][56][57][58][59][60][61][62][63][64][65][66][67][68][69][70][71][72][73][74][75][76][77][78][79][80][81][82][83][84][85][86][87][88]以及其他系统，如反向电渗析[89]、微生物电解池[90][91][92]和阳极光催化[93]。

挑战与前景

尽管游离或固定化的GOx在均相BF中能有效去除有机污染物，但这种生物催化剂容易失活，影响其重复使用。如果将其溶解在溶液中用于处理后的废水再利用，需开发相应的实验条件以实现其完全矿化。同时，还需制定方案确保β-D-葡萄糖和铁从废水中完全去除，并优化这些试剂的浓度。

结论

研究表明，BF、BPF和BEF能有效去除实际废水和含有染料、农药、药物及工业化学品的合成溶液中的有机污染物。在酸性介质中，使用游离或固定化的GOx作为生物催化剂的均相BF可快速氧化污染物，但重复使用性较差。通过Fe²⁺与H₂O₂反应生成的^●OH是主要的氧化剂。

CRediT作者贡献声明

恩里克·布里利亚斯（Enric Brillas）：方法学研究、数据采集与分析、概念构建。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益或个人关系。