水处理中多污染物修复方法的批判性综述：现状与未来展望

《Journal of Water Process Engineering》：A critical review of treatment methods for remediation of multi-pollutants from water: Current status and future prospects

　　

- 多污染物治理的全面综述
- 物理化学与生物处理策略的机理洞察
- 混合体系在同时修复多污染物方面展现出前景
- 未来努力应推进多功能且可持续的处理系统

**引言**

地球表面约71%被水体覆盖，但其中不到0.62%的水可转化为优质饮用水。根据世界卫生组织（WHO）的调查，由于污染，全球六分之一的人口无法获取可直接饮用的淡水。快速城镇化、工业化、化肥过量使用、采矿等人类活动是导致水污染的主要原因。除了水污染，这些活动还对环境和公共健康造成影响[1]、[2]。如今，由于这些活动，氟化物、重金属、挥发性有机物（VOCs）等各类污染物正以高浓度排入水体。

氟化物是一种无机污染物，可通过地球地质过程和人为活动进入水系统，尤其来自铝、钢铁、化肥、玻璃、陶瓷和磷酸加工等行业。氟化物表现出浓度依赖性的双重效应。低浓度和高浓度的氟化物均会在人体引起各种疾病[3]。尽管氟化物在极低浓度下是必需的微量元素，但饮用水中过量的氟化物会引起不良健康影响，包括氟斑牙和氟骨症。氟化物浓度升高还可能影响水生和陆生生物，改变土壤-水相互作用。工业废水中氟化物浓度可能显著高于推荐水平（> 15 mg/L），因此在排放至地表水或地下水之前需要进行有效处理[4]。

另一方面，重金属是指在接近地壳浓度时即具有毒性的、密度相对较高的金属。多种重金属在自然界中以接近地壳浓度的水平存在于水和土壤中，此时不具有毒性[5]。如今，重金属被认为是重要的环境污染物，其来源包括快速工业化、废水排放、化石燃料燃烧、农业化学品使用和采矿活动。这些来源导致重金属进入地表水体，并通过土壤结构造成水和土壤污染[6]。由于污染，这些重金属进入食物链，在人类、植物和动物体内引起各种疾病。与可生物降解的废物相比，由于重金属的顽固性和不可降解性，将其从环境中去除更为困难[7]。

除氟化物和重金属外，挥发性有机物（VOCs）是地下水、地表水、饮用水和工业废水中一类重要的有机污染物，来源于石油相关活动、化学制造、溶剂使用、燃料储存和工业排放。代表性的水相VOCs包括苯、甲苯、乙苯、二甲苯（BTEX）以及三氯乙烯（TCE）和四氯乙烯（PCE）等氯化溶剂。它们在水中的存在尤其值得关注，因为多种VOCs表现出毒性、致癌性、持久性和迁移性，而其挥发性和水-气分配系数强烈影响其环境归趋和处理行为[8]。

因此，已研究了多种处理技术用于去除氟化物、重金属和VOCs，包括物理化学方法、生物方法和基于自由基的高级氧化工艺（AOPs）。然而，这些技术的适用性因污染物特性、浓度、水质、竞争离子、天然有机物、处理目标和运行要求而大相径庭。尽管在实验室规模上经常报告很高的去除效率，但这些数值本身并不能充分说明处理技术的实际应用性。其他因素如化学和能源消耗、二次废物产生、再生需求、选择性、处理时间和可扩展性等对于评估水处理技术的可行性同样重要。

已有若干综述文章总结了氟化物、重金属和VOCs等污染物的去除情况，但这些综述往往聚焦于单一污染物或处理技术。例如，氟化物去除综述通常仅涵盖吸附、离子交换、膜技术、生物滤料或其他除氟技术。重金属去除综述侧重于吸附、沉淀、膜、离子交换或新型吸附材料。VOCs修复综述通常聚焦于生物、吸附、热/催化或高级氧化技术，且更侧重于降解途径和活性物种。上述专题综述扩展了各自领域的知识库，但不同综述之间难以进行比较。此外，这些综述通常不评估水基质复杂性、竞争污染物、所需资源、二次废物产生、可扩展性和技术成熟度对性能的影响。

因此，在需要一套适用于化学和环境特性不同的各类污染物的综合工程框架方面，仍存在一个关键空白。为弥合这一空白，本综述将重点审视氟化物、重金属和水相VOCs去除的物理化学、生物和基于自由基的高级氧化技术。除表格化的去除效率外，本综述还考虑以下工程方面来评估各技术的优缺点，并在实验室规模去除效率之外对技术进行比较和对比：去除效率、选择性、动力学、接触时间、pH值、污染物浓度、水基质效应、其他离子和天然有机物、化学和能源需求、二次废物处置、再生、规模化、技术成熟度及其他运行因素。

本综述的时效性还受到日益增多的复杂混合污染物水流以及从实验室规模演示向可持续可实施处理系统转变的迫切需求的推动。因此，本综述特别关注高级氧化工艺的最新进展，包括芬顿和光芬顿氧化、硫酸盐自由基氧化、UV/H?O?、光催化、声化学、电化学氧化和等离子体氧化，以及新兴的生物和混合处理途径。本综述不仅批判性地讨论了其报道的性能，还讨论了与选择性、基质干扰、能源和化学需求、转化产物、残余物产生以及规模化相关的障碍。

因此，本综述的创新之处在于其跨污染物和面向工程的评估，而非仅仅是将三类污染物类别合并在一起。它通过将一致的评估框架应用于氟化物、重金属和水相VOCs，并将处理性能与实际实施考量联系起来，弥合了针对特定污染物的综述与针对特定技术的综述之间的空白。此外，本综述识别了混合和序贯处理配置的机遇，即在单一技术不太可能提供足够处理的情况下，组合使用多种技术。通过整合技术性能、环境影响、资源需求、可扩展性和技术成熟度，本综述为技术选择提供了批判性和及时性的依据，并确定了复杂污染水可持续处理的重点研究方向。

**部分摘录**

**物理化学方法**

如图1(a)和(b)所示，有多种物理、化学和基于自由基的高级氧化方法可用于从污染水中修复氟化物、重金属和VOCs。整体讨论见2.1节氟化物和重金属的去除方法、2.2节挥发性有机物（VOCs）的去除方法。在本节中，针对各个污染物组分别讨论处理途径，同时考虑共污染物相互作用……

**生物方法**

已开发多种生物方法用于从环境中修复多种污染物，如氟化物、重金属和VOCs，如图2(a)和(b)所示。整体讨论见3.1节氟化物的去除方法、3.2节重金属和挥发性有机化合物的去除方法。在本节中，针对各个污染物组分别讨论处理途径，同时考虑共污染物相互作用和集成……

**气/汽提的原理和机理**

汽提是一种物理化学分离过程，用于将挥发性有机物（VOCs）从水相转移到气相。在典型的填料塔汽提器中，污染水从塔顶引入并分布在填料上，而空气从底部逆流引入。填料增大了气-液界面面积并促进VOCs从水向空气的质量传递。该过程主要由气-液平衡控制……

**水质对不同技术处理性能的影响**

pH值是最重要的因素之一，因为它同时调节污染物的形态和处理界面的性质。对于吸附和生物吸附，pH值在改变表面官能团的质子化或去质子化中起着重要作用，从而影响污染物与吸附剂表面之间的静电引力或斥力。对于重金属，pH值还影响水相形态、沉淀、络合和生物有效性，从而影响……

**污染物选择性和差异去除行为**

污染物选择性和差异去除行为主要受这些污染物类别的不同物理化学特性调节，包括离子电荷、水化、分子大小、形态、极性、疏水性和化学反应活性。对于氟化物，其较小的离子尺寸、主要为阴离子的特性以及高的水化能强烈影响其与处理材料的相互作用。其去除高度依赖于离子交换、静电……

**多污染物条件下氟化物、重金属和VOCs的相互作用与共去除机理**

在天然水基质中，重金属、氟化物和挥发性有机物（VOCs）可能与其他污染物（如天然有机物（NOM）、溶解无机离子以及其他有机和无机污染物）同时存在。因此，由于其他污染物的存在，这些污染物的去除可能与单一污染物去除过程有很大不同，因为它们可以改变污染物的形态及其物理化学性质。

**多污染物同时修复的稳健混合技术探索**

氟化物、重金属和VOCs在水资源中日益增多的存在揭示了传统单一阶段处理系统的局限性。大多数现有修复技术旨在针对特定类别的污染物；例如，基于自由基的高级氧化工艺和生物系统主要用于VOCs降解，而沉淀和离子交换在去除氟化物和重金属方面相当成功。因此……

**不同废水类型和污染物组成的处理工艺选择**

污染水的处理工艺选择应基于污染物特性、废水组成、处理目标和运行约束，而不仅仅是去除效率。对于含有氟化物、重金属和VOCs的废水，这一考量尤为重要，因为这些污染物在电荷、形态、挥发性、溶解度、毒性和生物降解性方面存在显著差异。因此，一个实用的选择框架应该……

**未来研究与关键科学挑战**

本节关注当前制约氟化物、重金属和VOCs可靠同时去除的基本科学障碍。因此，未来研究应超越将这些污染物视为独立目标的方式，而是解决其在复杂水系统中的相互作用和耦合行为。一个核心挑战是多污染物相互作用缺乏统一的机理框架。氟化物、重金属和VOCs之间存在差异……

**结论**

氟化物、重金属和VOCs在水环境中日益增多的出现对公共健康和环境可持续性构成重大风险，凸显了可靠高效处理策略的需求。本综述批判性地评估了用于修复这些污染物的物理化学和生物方法，重点强调了其去除机理、处理性能、优势、局限性以及在不同水质条件下的适用性。

**CRediT作者贡献声明**

Abhay Kumar：写作—审查与编辑、写作—原稿、可视化、数据管理、概念化。Bhaskar Bishayee：写作—审查与编辑、写作—原稿、可视化、验证、监督、形式化分析、概念化。Abhilasha Rai：写作—审查与编辑、验证、监督、形式化分析、概念化。

**生成式人工智能和人工智能辅助技术在写作过程中的声明**

在撰写本作品期间，作者使用ChatGPT和Grammarly进行英语语言编辑和图像生成。在使用这些工具后，作者仔细审查和编辑了内容，并对所发表文章的内容承担全部责任。

**资助**

作者声明，本工作未获得任何资助机构的资助。

**利益冲突声明**

作者声明，不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。

**致谢**

作者非常感谢印度理工学院蒂鲁帕蒂分校、印度科学教育研究与博帕尔研究院以及CSIR-IICT海得拉巴分校的院长。作者还感谢这些机构提供的支持和设施，以开展本研究工作。

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