湖南大学汤琳课题组发表废水处理综述论文：光催化与生物降解直接耦合技术

湖南大学汤琳课题组发表废水处理综述论文：光催化与生物降解直接耦合技术

简单的介绍

近日，湖南大学唐琳课题组在Water（DOI:10.1016/j.2020.）上发表题为“of and for: , and ”的综述论文。光催化与生物降解直接耦合（ICPB）技术是将光催化技术与生物处理相结合的一种新型废水处理技术，具有成本低廉、环境友好、可持续等优势，在废水处理领域具有良好的应用前景。ICPB体系主要由光催化材料、多孔载体和生物膜组成。ICPB技术打破了光催化反应和生物降解必须分别在不同反应器中进行的传统观念，提高了污水的净化能力，节省了成本。本综述综述了ICPB体系中光催化剂、多孔载体和生物膜方面的最新进展，重点介绍了反应机理和反应器结构。此外，还展望了ICPB体系在环境、能源等领域的应用前景。

全文概览

本综述综述了ICPB体系的最新进展。首先分别讨论了ICPB中的吸附、光催化和生物降解的协同效应、自调节机制、共同基质和竞争机制。然后综述了ICPB中光催化材料、多孔载体和生物膜的最新进展。然后介绍了光催化循环床生物膜反应器（PCBBR）的发展并总结了不同PCBBR结构的优缺点。此外，介绍了ICPB系统在废水处理和能量转换中的各种应用。最后对ICPB系统的未来发展进行了展望。本综述旨在为未来ICPB系统在废水处理中更好的应用和创新设计提供理论建议。

介绍

随着水中各类新型污染物的出现，以活性污泥法为代表的传统污水处理技术因难以降解高浓度、复杂、难降解污染物而面临困境。以光催化氧化技术为代表的高级氧化（AOPs）技术起效迅速，但其依赖自由基反应进行的非选择性降解会导致一系列过度氧化问题。传统技术难以在同一反应器中进行光催化反应和生物处理的主要原因是光催化反应速度快、无选择性，难以将光催化反应的产物控制在可生物降解范围内。本文综述了ICPB技术，该技术使光催化反应和生物降解同时发生，不仅可以去除难降解污染物，还可以提高矿化效率，降低运行成本。

图形摘要

ICPB体系的反应机理

图 1. ICPB 中的： 、 和 。2020, Inc.

ICPB作为一种新型废水处理技术，在去除和矿化生物难降解污染物方面显示出巨大的潜力。图1提出了ICPB体系中可能起作用的机理。多孔载体可以吸附废水中的生物难降解污染物并增强其向光催化剂表面的转移，同时在光催化剂表面生成各种ROS自由基，从而促进污染物的光催化降解。光催化降解产物进一步转移到载体上并在生物膜内降解，进而矿化为二氧化碳和水。在ICPB体系中，吸附、光催化和生物降解同时发生，而不是完全独立地发生。整个过程在ICPB中起着平衡的作用，这种平衡称为协同效应。

图 2.n 为 Er3+:YAlO3/TiO2 中 MO 的图。摘自 (J. Chem. . ., 2015, 90, 885)。2020, Inc.

图3. 和的 型立方体和SEM。来自（.Sci. .，2011，45，8359）。2020，。

图4. 从第6周期开始到第6周期结束的时间。 是各周期中总的。 是所有低的之和。来自（Chem. Eng.J.，2017，316，11）。2020，Inc.如图2-4所示，本综述讨论了ICPB体系中光催化材料（图2）、多孔载体（图3）和生物膜（图4）的最新进展。到目前为止，已经开发出许多光催化材料来处理ICPB中的废水。研究最多的光催化材料是基于TiO2的光催化剂，例如SiO2-TiO2，Ag-TiO2，N-TiO2和Er3 +：YAlO3 / TiO2。载体是ICPB体系中的关键环节，可以同时起到负载光催化材料和保护生物膜的作用。 本文概述了一些适用于ICPB系统的代表性载体，如纤维素载体、陶瓷载体、聚氨酯海绵和聚氨酯泡沫（PUF）。在ICPB系统中，生物膜可以降解光催化产物，实现进一步矿化，是降低化学需氧量（COD）或溶解有机碳（DOC）的主要因素。

光催化循环床生物膜反应器（PCBBR）的构建

图 5. PCBBR 宏观图像显示了 和 的孔径。 下半部分在紫外线下，高光部分。 来自（. .，2008 年，第 101 卷，84）。 2020，Inc.

图 6. 紫外光照射下 (): (a) 部分由 组成。来自 (. Sci. .,2011, 45, 8360)。 (b) 部分由 中的紫外灯组成。来自 (Appl. Catal. B: .,2016, 180, 521)。 2020, Inc.

图 7。 -light ytic -bed（）。空气是一个泵，并且带有来自面板的光。来自（Int. . ., 2015, 104, 179）。2020，Inc.

表 1. PCBBR 的主要和与 / 的关系。2020，Inc.

用于废水处理的光催化循环床生物膜反应器（PCBBR）根据光催化剂的分布情况一般可分为两大类配置：（1）悬浮型光催化剂的PCBBR和（2）固定化光催化剂的PCBBR。后者根据光源类型可进一步分为两类：（1）紫外响应型和（2）可见光响应型。如图5所示，等采用典型的悬浮污泥型PCBBR系统去除2,4,5-TCP和乙酸。图6a为实验室规模的PCBBR系统，由容积为150mL的石英玻璃制成，在上升和下降两侧均有悬浮循环载体。图6b中光源的位置与普通PCBBR不同，石英套管位于反应器中部，紫外灯位于石英套管内。 图7中的反应器为可见光响应型内循环空气驱动反应器（），其容量为540 mL，装载约750个海绵载体，运行温度为20±2℃。两种悬浮型或固定型光催化剂PCBBR都有各自的特点和局限性。表1简要总结了这两种PCBBR的主要优缺点。

ICPB系统的应用

图 8. 紫外光或光照下的 UPCB 和 VPCB 的对比。摘自（，2015，49，7776）。2020，Inc.

图 9.(a) ICPB 阳极与泡沫阳极的阳极。(b) 和 (c) 7 天后的阳极。(Chem. Eng. J., 2017, 317, 884)。2020, Inc.

ICPB技术已被证明适用于处理许多生物难降解有机污染物，包括含氮化合物、酚类化合物、染料、抗生素等。根据光源类型，ICPB可分为两类：紫外光响应型ICPB（UPCB）和可见光响应型ICPB（VPCB）。图8对比了UPCB和VPCB对苯酚降解的影响，结果表明VPCB对苯酚的去除效率和矿化效果均优于UPCB。图9中，周等人在多孔碳泡沫电极上制备了与N-TiO2紧密结合的ICPB阳极，并在电解液中进行了实验，结果表明，ICPB阳极在产生电流的同时显著增强了4-CP的生物降解。

外表

本综述对ICPB技术在废水处理中的应用提出了以下展望：

（1）ICPB的降解机理、操作变量对污染物去除效率的影响以及反应器设计参数的优化等问题还有待进一步研究。优化反应体系结构需要充分考虑可能影响反应过程的各种因素（如曝气速率、光催化剂涂覆速率等）。为了在较宽的pH范围内稳定地进行光催化运行，需要对操作参数进行调整。光催化剂与生物膜之间的电子传递过程的机理也需要进一步研究。

(2)为提高ICPB体系中光催化反应的效率，需要开发响应光谱广的新型光催化材料和催化剂负载量高的载体。载体未来的应用前景还取决于是否具有高强度、生物相容性、孔隙率、可重复性、易于实施的制备技术以及3D载体的开发。为提高微生物群落的功能，应开发针对新兴污染物的微生物制剂，提高目标污染物的降解效率。可以引入新的基因工程技术，通过筛选和扩增最有效的微生物来降解污染物。

(3)从目前的研究和趋势来看，毫无疑问ICPB体系将在很多其他应用中发挥重要作用，包括重金属离子去除、土壤修复、化工生产、挥发性有机化合物(VOCs)的催化氧化等。这些潜在的场景与ICPB技术相结合可以挖掘出巨大的应用潜力。总结ICPB技术在水处理领域显示出巨大的潜力。本综述总结了ICPB体系的最新进展，包括ICPB应用可能涉及的机制到光催化材料、载体、生物膜和反应器结构的开发，以及近年来的最新应用。目前，ICPB技术用于废水处理的研究才刚刚起步，研究人员对ICBP体系微观作用机理的了解有限，限制了其在提高污染物降解效率方面的作用。未来需要更多的研究人员参与到这项工作中，克服其面临的困难和挑战，使其能够广泛应用于环境和能源领域。

唐琳教授，博士生导师，现就职于湖南大学环境科学与工程学院。主要从事基于功能生物纳米材料的水污染控制技术研究，在污染湿地及底泥修复、污染物实时监测、污泥资源化利用等领域取得多项创新性成果。在国内外相关领域高水平期刊（如&、Water、in、-、等）发表SCI论文120余篇，SCI引用8600余次，H指数53，主编相关著作1部。