基于MMO阳极连续流通电氧化技术对医院污水进行高效细菌消毒的研究

《Scientific Reports》：Continuous once-through electrooxidation treatment using mixed metal oxide anode for bacterial disinfection

本研究针对医院获得性感染(HAIs)风险，开发了一种采用混合金属氧化物(MMO)阳极的连续流通电氧化(EO)消毒系统。通过在模拟医院病房污水条件下优化操作参数(电流密度7.14 mA/cm2、NaCl浓度0.2 g/L、处理时间9分钟)，实现了96%的细菌灭活率，真实污水消毒率达92%。该系统能耗仅0.184 kWh/m3，运营成本1.88美元/m3，为医院感染病房污水源头控制提供了可持续的分散式处理方案。

　　

医院获得性感染(HAIs)的蔓延已成为全球公共卫生领域的重大挑战，特别是在医疗资源有限的发展中国家。传统污水处理方式将医院污水与市政污水混合处理，但常规的末端处理技术难以有效灭活抗生素耐药菌(ARB)等顽固微生物。这些方法不仅处理效率有限，还存在能耗高、化学药剂使用量大等弊端，导致未完全处理的医院污水通过污水处理厂(STPs)排放后，可能对周边水域和土壤造成污染，加剧公共卫生风险。

在此背景下，来自印度Thapar工程技术大学的研究团队在《Scientific Reports》发表了一项创新性研究，提出利用电氧化(EO)技术作为感染病房污水的分散式现场处理方案。该技术通过在污水汇入公共排水系统前进行源头处理，从根本上阻断病原体传播途径。与传统的批量处理模式不同，本研究首次设计了连续流通式EO系统，通过混合金属氧化物(MMO)阳极在低电流密度和最小化学添加条件下实现高效消毒，为医院污水管理提供了新的技术路径。

研究团队采用Ti/Ru/Ir/Pt四元MMO阳极，该材料结合了TiO₂的活性位点、IrO₂的酸性环境稳定性、RuO₂的耐腐蚀性和Pt的低电流密度高效性，能够在低能耗条件下产生大量活性氯物种(RCS)和活性氧物种(ROS)。系统通过直流电源供电，阳极与不锈钢阴极平行排列，间距2 cm，在定制硼硅玻璃反应器中进行连续处理。

关键技术方法包括：使用模拟人尿液成分的合成污水培养八种常见医院病原菌(如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等)；通过紫外-可见光谱法监测细菌灭活效率；采用原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱(XPS)分析电极稳定性；通过总有效氯(TAC)测定和Hypochlorous Acid(HOCl)荧光探针验证消毒机制；结合钾离子泄漏测试和场发射扫描电镜(FE-SEM)观察细菌膜结构损伤。

电消毒效果评估

在电流密度7.14-11.90 mA/cm²范围内，细菌灭活率随电流密度增加而提高。在最低电流密度7.14 mA/cm²、NaCl浓度0.2 g/L条件下，9分钟处理可实现96%的细菌灭活。提高NaCl浓度至0.45 g/L时，即使在较低电流密度下也能实现完全灭活，但考虑到电极腐蚀风险，选择0.2 g/L为最优浓度。

流速优化分析

降低流速从200 mL/min至40 mL/min可显著提高灭活效率，这是由于细菌与电极表面接触时间延长所致。在40 mL/min流速下，系统达到最佳水力停留时间(HRT)1小时，确保在实际应用中应对水质波动的稳定性。

消毒机制解析

细菌灭活主要通过两种途径：间接氧化由活性氯物种(RCS)介导，包括Cl₂、HOCl和OCl^-等氧化剂；直接氧化则通过阳极表面产生的羟基自由基(·OH)破坏细菌细胞结构。在酸性pH条件下，HOCl成为主要消毒物种，其浓度随处理时间从15μM增至140μM。

实际应用验证

将优化参数应用于真实污水处理，8分钟内实现92%的细菌灭活率，证明该技术作为三级处理方案的可行性。钾离子泄漏测试显示K⁺浓度从5.4 ppm升至7.4 ppm，表明细胞膜完整性被破坏。FE-SEM图像直观展示了大肠杆菌细胞结构经EO处理后的明显损伤。

电极稳定性评估

经过300次循环使用后，MMO阳极仍保持稳定的消毒性能。AFM分析显示表面粗糙度从61.75 nm降至20.60 nm，属正常磨损范围。XPS证实金属元素氧化态未发生明显变化，电极结构保持完整。

经济性分析

该系统的能源消耗仅为0.184 kWh/m3，运营成本1.88美元/m3，显著低于紫外线消毒(16.01美元/m3)和活性炭-紫外线联合处理(125美元/m3)等传统技术。连续流通式设计省去了大型储水池，降低了基础设施投资。

本研究证实了连续流通电氧化技术在医院污水分散式处理中的实用价值。MMO阳极在低化学添加和中等电流密度下展现出的高效消毒能力，结合其长期运行稳定性，为控制医院获得性感染提供了技术支撑。未来研究方向包括模块化反应器设计、复杂污水基质适应性评估以及与可再生能源的整合，以推动该技术向实际应用转化。