新型混合生物反应器策略：PVDF/ZnO/rGO膜耦合UV/臭氧高效灭活水中大肠杆菌的综合研究

《Desalination and Water Treatment》：Hybrid Bio-Reactor Approach for Effective Antiproliferation of Emerging Pollutants: A Comprehensive Investigation

本文推荐一种集成了电纺PVDF/ZnO/rGO纳米纤维膜、紫外（UV）辐照与溶解臭氧的紧凑型混合生物反应器，用于快速消毒微生物污染水。研究表明，该混合工艺在原型规模（2-L批次反应器，TRL≈4）下可在数分钟内实现大肠杆菌（ATCC 25922）的完全灭活，其协同消毒速率远超单一组分，为资源受限地区的分散式水处理提供了具有前景的解决方案。

　　

清洁水资源的可持续性是全球面临的严峻挑战之一。随着自然水资源快速枯竭以及发展中国家水污染问题日益加剧，开发经济高效的水净化系统显得尤为迫切。据统计，全球每年因腹泻导致的死亡人数高达数百万，其中经济薄弱地区负担最重，而不安全的饮用水和恶劣的卫生条件是主要诱因。城市化与工业化进程更是导致了远超我们想象的新兴污染物问题。在此背景下，传统的水处理方法因其效率不足或可能产生有害副产物（如氯化消毒产生的卤代副产物）而面临挑战。因此，结合多种消毒机制的创新、广谱、高效且成本效益高的混合处理技术，成为应对微生物污染，特别是对抗抗生素耐药细菌的有力策略。

为了应对这一挑战，研究人员在《Desalination and Water Treatment》上发表了一项研究，旨在开发一种紧凑的混合生物反应器，能够快速消毒受微生物污染的水体。该研究创新性地将电纺聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维膜（掺杂氧化锌（ZnO）和还原氧化石墨烯（rGO））与紫外（UV）辐照以及溶解臭氧技术进行整合，构建了一个多功能水处理平台。

研究人员为开展此项研究，主要运用了以下几个关键技术方法：首先，通过电纺技术制备了PVDF/ZnO/rGO纳米复合纤维膜，并利用透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对其形貌、结构及化学键合特性进行了系统表征。其次，自主设计并搭建了批次处理式（2升容量）混合生物去污反应器原型，其核心模块包括硼硅酸盐玻璃反应器罐体、365纳米波长UV-LED光源模块、陶瓷介质臭氧发生器以及流体控制系统。最后，以大肠杆菌（ATCC 25922）作为指示微生物，通过平板菌落计数法评估了该混合反应器在不同处理时间下的杀菌效率，并与单一处理模块（仅UV、仅臭氧、仅膜过滤）的效果进行了对比分析。

3.1. CHARACTERIZATION OF UV RADIATION

通过高分辨率光谱仪对UV光源模块进行表征，确认其发射峰值波长为365纳米。在距离透镜表面20厘米处（即反应器底部）测得UV辐射能量为12,820 μW/cm2，累积UV剂量为3076.8 mJ/cm2。这为后续光催化反应提供了必要的光能条件。

3.2. CHARACTERIZATION OZONE GENERATOR

对臭氧发生器进行实时监测，结果显示其输出臭氧浓度在启动后20秒内达到稳定状态，范围在2800至3000 ppm之间。高浓度的臭氧供应确保了反应器内能够产生足量的活性氧物种（ROS），用于高效的氧化消毒。

3.3. INACTIVATION STUDIES OF E. COLI BACTERIA

细菌灭活实验是检验反应器性能的核心。结果表明，该混合生物反应器展现出卓越的协同杀菌效果。对于初始浓度约为10.7 × 103 CFU/mL的大肠杆菌，处理1分钟后，菌落数降至6.3 × 103 CFU/mL；处理2分钟后，急剧减少至0.05 × 103 CFU/mL；处理3分钟及更长时间后，样品中已检测不到存活的细菌，实现了完全灭活。相比之下，单独使用UV照射4分钟仅能达到约2个对数值（2-log）的减少，单独臭氧暴露4分钟约为1.5-log减少，单独膜过滤约为1-log减少。混合系统的杀菌效果（接近5-log减少）显著高于各单独模块效果之和，有力地证明了UV、臭氧和光催化膜之间存在真正的协同增效作用。

3.4. CHARACTERIZATION OF ELECTRO-SPUN PVDF/ZnO/ RGO NANO-COMPOSITE FIBRES

对核心材料——电纺纳米复合纤维进行了详尽的表征。TEM和SEM图像显示成功制备出了无串珠、形态均匀的纳米纤维，纤维直径约为100纳米，ZnO和rGO纳米颗粒成功嵌入并锚定在纤维表面或结构中，形成了具有高比表面积和纳米级粗糙度的分级结构。AFM分析进一步揭示了纤维垫的微观形貌和表面粗糙度。抗菌活性测试（抑菌圈法）表明，纯PVDF膜无抑菌活性，而PVDF/ZnO/rGO复合膜则产生了约13毫米的抑菌圈，证实了其固有的抗菌性能。

3.5. FTIR studies of the electro-spun PVDF/ZnO/ RGO nano-composite fibres

FTIR光谱分析为复合膜的成功制备提供了分子层面的证据。谱图中显示了PVDF的α相（例如在761.81, 875.74, 1071.29 cm?1等处）和β相（约840 cm?1）的特征吸收峰，β相含量的增加有助于提高膜的极性和稳定性。同时，在879 cm?1附近观察到Zn-O伸缩振动峰，在1395 cm?1和1570 cm?1附近出现了归属于rGO上–OH弯曲振动和C=C伸缩振动的特征峰，这些均证实了ZnO和rGO已成功复合到PVDF基体中。

归纳研究结论和讨论部分，本研究成功开发并验证了一种集UV辐照、臭氧氧化和PVDF/ZnO/rGO光催化纳米复合膜过滤于一体的混合生物去污反应器原型。该系统的显著优势在于其协同作用，能够快速、彻底地灭活水中的大肠杆菌，且不依赖有害化学物质，避免了有害副产物的产生。PVDF/ZnO/rGO膜不仅作为物理过滤屏障，更在UV激发下发挥光催化活性，生成大量活性氧物种（ROS），与臭氧产生的ROS共同作用，通过破坏细菌细胞膜、攻击细胞内酶和核酸，实现对微生物的多重致命打击。该反应器设计紧凑，技术成熟度（TRL）达到4级，并依赖于易于获取的材料，显示出在资源受限环境下进行分散式水处理的巨大应用潜力和可扩展性。

这项研究的重要意义在于，它为解决日益严峻的水微生物污染问题，特别是应对新兴污染物和耐药菌的挑战，提供了一种高效、环保且具有实用前景的创新技术方案。未来研究方向包括向连续流系统升级、优化操作参数以应对大规模生物去污需求，以及解决膜污染和生物膜形成等工程化过程中的关键问题。