综述：生物活性炭（BAC）过滤器在市政废水药物去除中的应用：对其性能、运行因素及生物膜的综述

《Journal of Water Process Engineering》：Implications of biological activated carbon (BAC) filters for pharmaceutical removal from municipal wastewater: A review on its properties, operational factors, and biofilms

生物活性炭（BAC）过滤器在去除生活污水中的药物残留方面表现出潜力，但其效能受空床接触时间（EBCT）、预氧化工艺（如臭氧）、生物膜形成及微生物活动等因素影响。系统回顾了158篇文献，交叉比较了17项研究中的77组数据，发现EBCT增加可显著提升双氯芬酸（DCF）去除率，而高级氧化工艺（AOPs）预处理能提高阿替洛尔（ATE）和卡马西平（CBZ）的去除效率。研究还指出生物膜特性、氧气消耗及反冲洗频率对BAC性能的重要性，并强调需进一步探究微生物群落与药物降解的关联。

　　生物活性炭（BAC）滤芯作为处理市政污水处理厂（WWTP）出水的新兴技术，正在逐渐受到关注。传统的污水处理设施主要设计用于去除粪便细菌、病原体、可生物降解的碳质化合物以及微量和宏量营养物质，如金属、氮和磷化合物。然而，这些设施在去除有机微污染物（OMPs），尤其是药物残留方面效果有限。随着人们对环境健康的重视和对药物残留污染的担忧增加，如何有效去除这些微污染物成为研究的重点。生物活性炭结合了活性炭的吸附作用和微生物的生物降解能力，被认为是提升去除效果的一种重要手段。

### BAC技术的背景与优势

生物活性炭是一种在活性炭颗粒表面形成生物膜的处理技术，这种生物膜由微生物组成，能够在活性炭上同时进行吸附、生物降解和生物再生过程。相较于传统的活性炭吸附（GAC）技术，BAC能够通过生物膜的形成延长滤芯的使用寿命，减少活性炭更换的频率，从而降低运营成本。在处理含药物残留的污水时，BAC的优势在于其能够通过生物降解和吸附双重机制去除污染物，尤其是那些在常规处理中难以降解的药物。

### BAC技术的性能与影响因素

本研究通过系统综述和跨研究比较的方法，分析了BAC滤芯在去除药物残留方面的性能，并评估了不同操作参数对去除效果的影响。综合了158篇相关文献和17项跨研究比较，共提取了77组BAC性能数据。研究发现，空床接触时间（EBCT）对药物残留的去除具有重要影响，特别是对双氯芬酸（DCF）的去除效果显著，而对于阿替洛尔（ATE）和卡巴玛嗪（CBZ）的去除效果则不明显。此外，高级氧化工艺（AOPs）如臭氧氧化预处理可以显著提高这些药物的去除效率，但成本较高且可能产生副产物。

EBCT是BAC运行中一个关键的操作参数，它影响着药物残留的去除效果。在WWTP出水中，EBCT通常需要至少20分钟才能达到有效的药物去除效果，而在饮用水处理中，EBCT只需8分钟即可满足监管要求。这是因为WWTP出水中有机物浓度更高，且含有更多难以降解的化合物。此外，EBCT还会影响氧气消耗，进而影响生物膜的代谢活性和微生物的生长。

在BAC运行过程中，曝气和氧气消耗同样至关重要。氧气作为生物降解的最终电子受体，能够促进微生物的代谢活动，提高有机物和药物的去除效率。研究表明，较高的氧气浓度（>8 mg/L）有助于药物的降解，但过高的氧气浓度也可能导致生物膜的破坏，影响其结构和功能。因此，合理的曝气控制是优化BAC运行的关键。

### 生物膜的作用与微生物群落

生物膜的形成和生长对BAC的性能具有深远影响。微生物附着在活性炭颗粒表面，形成稳定的生物膜，这种生物膜不仅能够吸附药物残留，还能促进其降解。生物膜的厚度、结构和组成会影响药物的去除效率，同时也会影响氧气和营养物质的传递。研究指出，生物膜的厚度与药物去除效果之间存在一定的关系，但并非所有药物的去除都受到生物膜厚度的显著影响。

微生物群落的组成和活性也是BAC性能的重要影响因素。在BAC中，微生物的代谢活动和共代谢作用是去除药物残留的关键。某些微生物，如硝化微生物（AOB、AOA和commamox），被认为能够通过共代谢作用去除药物残留。然而，微生物群落的组成会受到多种因素的影响，包括碳材料的类型、氧气浓度、预处理方式等。因此，了解和调控微生物群落对于优化BAC运行至关重要。

### BAC的再生与维护

BAC滤芯的再生是维持其长期运行的重要手段。由于生物降解作用，活性炭颗粒上的吸附位点会逐渐被占据，导致去除效率下降。因此，需要定期进行再生处理，以恢复活性炭的吸附能力。目前，常用的再生方法包括热再生、超声波处理和化学再生。热再生通过高温处理恢复活性炭的物理结构，但可能会对生物膜造成破坏，影响其活性。超声波处理则能够通过改变生物膜结构，促进氧气和营养物质的传递，提高药物去除效率。化学再生通常使用碱性溶液或酸性溶液，能够有效去除吸附的药物残留，但可能产生二次污染。

### BAC的应用挑战与未来研究方向

尽管BAC在去除药物残留方面展现出良好的潜力，但在实际应用中仍面临一些挑战。首先，BAC的运行需要精确控制EBCT、曝气频率和预处理方式，以确保最佳的去除效果。其次，生物膜的形成和生长过程较为复杂，难以准确预测和调控。此外，BAC的再生过程需要权衡效率与成本，以及环境影响。

未来的研究应重点关注以下几个方面：一是深入研究生物膜的特性及其对药物残留的去除作用；二是探讨不同微生物群落对药物残留的降解能力，以及如何通过调控环境条件来优化微生物的生长和代谢；三是进一步开发和验证数学模型，以更准确地模拟BAC在实际运行中的性能；四是探索新的预处理技术，以提高BAC的去除效率并减少副产物的产生。

### 结论与建议

综上所述，BAC技术在去除药物残留和有机微污染物方面展现出显著的优势，其生物降解和吸附的双重机制使其在污水处理中具有广阔的应用前景。然而，要充分发挥BAC的潜力，还需要进一步研究其运行参数、生物膜特性以及微生物群落的组成和活性。建议未来的研究应结合多种方法，如ATP测定、流式细胞术（FCM）、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和扫描电子显微镜（SEM），以全面评估BAC的性能。同时，应加强模型的开发和验证，以更好地预测和优化BAC的运行效果。此外，探索低成本、高效的预处理技术，以及开发能够减少副产物形成的再生方法，也将是未来研究的重要方向。