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新型UVA-LED光反应器通过Fe3+-EDDS介导的光芬顿工艺高效去除磺胺甲恶唑：迈向节能型废水再生
【字体： 大 中 小 】 时间：2025年06月21日 来源：Journal of Water Process Engineering 6.3
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本研究针对市政污水处理厂中难降解抗生素磺胺甲恶唑（SMX）的去除难题，开发了基于Fe3+-EDDS介导的UVA-LED光芬顿新型中试系统。研究通过优化UVA-LED功率（5-100%）和pH条件，在真实二级出水中实现15分钟内80% SMX去除，能耗低至0.15 kWh/m3/order，处理成本降至0.29-0.30 �/m3，同时显著降低出水慢性毒性（Selenastrum capricornutum测试），为市政废水深度处理提供了高效节能的解决方案。
随着抗生素在环境中的持续检出，市政污水处理厂二级出水中的磺胺甲恶唑（SMX）等新兴污染物已成为重大环境健康隐患。这类物质在传统活性污泥工艺中难以降解，而欧盟2022年已将SMX列入监测清单，凸显开发高效处理技术的紧迫性。虽然光芬顿工艺因其强氧化能力备受关注，但传统方法需要强酸性条件（pH 2.7-2.9）和汞灯照明，存在操作限制和能耗高的问题。近年来，可生物降解的EDDS络合剂和UVA-LED光源为解决这些瓶颈提供了新思路，但相关研究多局限于实验室纯水体系，缺乏真实废水验证和中试规模数据。
针对这一技术空白，来自西班牙Almería的研究团队在《Journal of Water Process Engineering》发表了创新性研究成果。该研究设计了一套总容积8L的中试UVA-LED光反应器系统，采用8条峰值波长370nm的LED灯带（每带150个LED），通过Fe3+-EDDS/H2O2体系在近中性pH条件下处理SMX污染废水。研究团队采用模拟和真实市政污水二级出水作为基质，系统考察了UVA-LED功率（5-100%）、pH（未调节与pH6）对SMX降解的影响，并通过电耗当量（EEO）、技术经济分析和藻类慢性毒性测试（Selenastrum capricornutum）等多维度评估工艺性能。
关键技术方法包括：1）构建中试规模UVA-LED光反应器系统；2）采用UHPLC-DAD监测SMX和Fe3+-EDDS浓度；3）ISO 6332和DIN 38402 H15标准方法测定铁和过氧化氢；4）72小时藻类毒性测试（Algaltoxkit F）；5）基于400m3/天处理规模的技术经济分析。
研究结果揭示：
空白实验验证：单独UVA-LED光解和UVA-LED/H2O2对SMX去除率不足7%，证实了氧化剂与光照的协同必要性。
UVA-LED/Fe3+-EDDS工艺优化：在模拟废水中，50%以上UVA-LED功率出现光饱和效应，SMX去除率稳定在40-47%。Fe3+-EDDS光解动力学显示pH6时络合物更稳定，为后续光芬顿工艺奠定基础。
光芬顿工艺突破：添加1.5mM H2O2后，SMX完全降解时间从40分钟（5%功率）缩短至6分钟（75%功率）。pH6条件下EEO稳定在0.018±0.003 kWh/m3，较未调节pH节能47%。
真实废水验证：在200μg/L SMX的真实废水中，75%功率下15分钟实现80%去除，但100%功率因Fe3+-EDDS过快消耗（10分钟内>90%）反而使去除率降至65%，凸显络合物稳定性的关键作用。
经济与环境效益：技术经济分析表明，提高功率可降低总成本（从0.61�/m3降至0.29�/m3）。藻类毒性测试显示处理后废水EC50从30.8mg/L提升至50.6mg/L，毒性单位（TU）降低41%。
这项研究首次实现了Fe3+-EDDS介导的UVA-LED光芬顿工艺从中试到真实废水的技术跨越。其创新性体现在：1）开发的LED光反应器能耗仅为传统AOPs的1/4-1/70；2）通过络合剂稳定性和功率优化，解决了光芬顿在中性pH条件下的效率瓶颈；3）综合技术-经济-环境的多维度评估为工程化应用提供完整数据支撑。研究成果不仅为欧盟2024/3019指令要求的能源自给型污水处理厂提供了关键技术选项，更为全球范围内抗生素等新兴污染物的控制树立了新标杆。未来研究可进一步探索与混凝/吸附等预处理工艺的耦合，以及动态LED控制系统的开发，以应对更复杂的水质条件。
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