光 electrocatalytic 氧化污水深度处理可持续性突破：生命周期评估揭示太阳能驱动微污染物去除的环境优势

《npj Clean Water》：Sustainable advanced wastewater treatment via photoelectrocatalytic oxidation: insights from life cycle assessment

本研究针对废水处理中微污染物去除的难题，开展了一项基于计算流体动力学（CFD）模拟的放大规模光 electrocatalytic（PEC）氧化系统的生命周期评估（LCA）。研究人员通过构建 BiVO4/TiO2-GO 光阳极的太阳能驱动反应器，对比荷兰实际臭氧氧化工厂，发现PEC系统在运行和废弃阶段环境表现更优，尤其在采用光伏供电时气候影响降低93%。该技术为欧盟新废水指令下微污染物控制提供了低能耗、免化学添加的可持续解决方案，凸显了光 electrocatalytic 技术在废水深度处理领域的应用潜力。

　　

随着工业发展和人口增长，水体中药物残留、工业化学品等微污染物持续累积，对生态系统和人类健康构成严重威胁。这类污染物难以被传统污水处理工艺彻底清除，而欧盟最新修订的《城市废水处理指令》更是强制要求对污水厂出水进行四级深度处理。在这一背景下，如何开发高效且环境友好的微污染物去除技术，成为水资源领域亟待突破的难题。

为应对这一挑战，伦敦大学学院（University College London）的 Gema Amaya Santos 团队联合荷兰代尔夫特理工大学研究人员，在《npj Clean Water》发表了一项创新研究。他们通过计算流体动力学（CFD）模拟，构建了一套放大规模的光 electrocatalytic（PEC）氧化系统，并首次对其进行了全生命周期评估（LCA），以量化该技术从建造、运行到废弃各阶段的环境影响。该系统采用可见光响应的 BiVO₄/TiO₂-GO 异质结光阳极，利用太阳能驱动产生羟基自由基（OH·），无需添加化学试剂即可降解多种微污染物。

研究主要依托以下几项关键技术方法：一是通过CFD模拟优化反应器流体动力学结构，确保污染物在流场中高效传质与反应；二是基于实验数据建立光 electrocatalytic 降解动力学模型，预测苯并三氮唑（BTA）、卡马西平（CBZ）等四种微污染物的同步去除效率；三是采用EF 3.0生命周期影响评价方法，对比PEC系统与荷兰实际臭氧氧化工厂在酸化、气候变化、生态毒性等8类环境指标上的差异；此外还引入USEtox模型专门评估毒性减排效果，并分析了光伏供电、材料回收等情景对系统可持续性的影响。

放大规模PEC氧化系统的环境表现

生命周期影响评估显示，系统运行阶段贡献了主要环境负担，其中水泵耗电占比最高。反应器建造阶段的影响集中於铝制抛物槽的生产，但其废弃阶段因不锈钢回收带来环境效益。

情景分析结果

当泵和光阳极分别采用光伏电力与自然太阳能时，酸化、气候变化等6类环境影响下降52%-93%，但矿物资源消耗因光伏板制造上升97%。铝槽回收因能耗较高反而增加负担，而石墨与太阳能槽复用方案表现最优。

毒性评估结果

USEtox分析表明，光伏供电结合材料复用方案（PV+SC2）的人类毒性影响显著低于基线情景，但淡水生态毒性未呈现明显改善，提示可持续策略与生态毒性减排并非直接关联。

与全规模臭氧氧化厂的对比

PEC系统在酸化、气候变化、化石资源消耗等7类指标上优于臭氧氧化，仅淡水富营养化因铝回收负担略高。臭氧厂的毒性影响高出PEC系统2-3个数量级，主要来自运行耗电与臭氧发生器中的铂使用。

生命周期成本分析

资本支出（CAPEX）中反应器组装人工占68%，运行支出（OPEX）以水泵耗电（77%）和光阳极维护（21%）为主。

研究结论指出，PEC氧化技术通过太阳能驱动与模块化设计，在微污染物去除方面展现出显著的环境优势，尤其适合太阳能丰富地区的分散式污水处理。然而，实际废水基质复杂性、光阳极长期稳定性（如BiVO₄光腐蚀）以及区域能源结构差异等因素，仍需通过中试验证。该研究为新兴高级氧化技术（AOPs）的规模化应用提供了生命周期视角的决策支持，凸显了将环境效益评估前置至技术开发阶段的重要性，对推动水资源可持续管理具有重要参考价值。