电凝聚过程在控制水处理过程中消毒副产物生成中的作用：系统综述

《Journal of Water Process Engineering》：Role of electrocoagulation process on disinfection byproducts formation control in water treatment: A systematic review

　　

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  电化学（EC）能有效去除作为滴滴苯（DBP）前体的有机非均相物（NOM）和芳香有机物质（AOM）。
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  EC显著降低了三卤甲烷（THM）和杂环芳烃（HAAs）的生成潜力。
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  前体的特性决定了EC的性能和对DBP的控制效果。
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  对于高有机含量的水，EC的性能优于化学混凝。
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  关于EC对含氮DBP生成的影响，目前仍存在知识空白。

引言

由于有效性、经济性以及在分配系统中提供持续消毒屏障的能力，氯化消毒仍是全球最广泛使用的饮用水消毒方法[1]。然而，当氯与原水中的NOM、AOM和卤离子反应时，不可避免地会导致DBPs的形成[2]、[3]。最常见的检测到的DBPs是THMs和HAAs，这两种物质因其致癌性和细胞毒性而受到监管[4]、[5]。最近，N-DBPs（包括卤代丙酮腈（HANs）、卤代乙酰胺（HAMs）和N-亚硝胺）由于比碳质DBPs具有更高的毒性而受到了关注[5]、[6]。氯化水中DBPs种类的增加引发了对公共健康和环境安全的紧迫担忧，这要求采取有效的 precursor 控制策略[7]、[8]。

DBPs的生成潜力受到有机前体特性的强烈影响。腐殖酸和富里酸等NOM成分是THMs和HAAs的主要前体[9]，而低分子量的含氮化合物（如氨基酸和蛋白质）则倾向于形成N-DBPs[10]、[11]。日益增加的人为输入物（如药物、农药、内分泌干扰物（EDCs）和微塑料浸出物）也成为了反应性前体的额外来源[2]。这些化合物在大小、极性和反应性上差异很大，使得DBPs的预测和控制变得复杂[12]、[13]。此外，城市化和气候变化加速了NOM和AOM进入饮用水源的速度[14]、[15]、[16]，这突显了需要能够针对广泛前体的多功能处理方法的迫切性。

传统的化学混凝（CC）、活性炭吸附和膜过滤被广泛用于去除DBP前体[17]。虽然这些方法在减少总有机碳方面有效，但它们对反应性最强的前体（特别是低分子量和含氮前体）的选择性有限。高级氧化过程（AOPs）可以矿化前体，但通常会产生在氯化过程中仍具有反应性的较小副产物，并且需要较高的能量和化学品投入。这些局限性突显了需要结合混凝、吸附和部分氧化步骤的替代技术，从而在不增加过多运营成本的情况下改善DBP前体的控制[18]。

电化学（EC）作为一种有前景的去除DBP前体的技术最近受到了关注[18]、[19]。通过溶解 sacrificificial 铝或铁阳极，EC 会在原位生成金属氢氧化物絮体，有效地破坏和吸附NOM，同时产生的氢气泡有助于有机污染物的浮选[20]、[21]、[22]。在适当的操作条件下，EC 还可以生成活性氧物种，有助于难降解有机化合物的氧化[23]。因此，已有研究表明总有机碳（TOC）、254 nm 处的紫外线吸收度（UV₂₅₄）和DBP生成潜力都有显著降低[19]、[24]。EC 在去除疏水性和芳香性NOM成分方面特别有效，这些成分是THMs和HAAs的主要前体，同时也显示出去除AOM（包括药物、农药和内分泌干扰化合物）的能力[25]。与传统混凝相比，EC 具有诸如降低化学品消耗、减少污泥产生、操作灵活性以及与可再生能源兼容等优点[26]，使其成为可持续饮用水处理的 appealing 替代方案。

尽管具有这些优势，但在理解EC在DBP前体控制中的作用方面仍存在重要空白。以往的综述主要研究了用于去除大量NOM的电化学方法、EC的通用机制和操作参数，或者EC在特定水样本（如热带泥炭水）中的应用[27]、[28]。这些研究为理解EC的性能提供了重要基础，但没有系统地将前体特性与其去除或转化及其对DBP生成和种类的影响联系起来。特别是，AOM、低分子量和含氮前体以及EC过程中产生的反应性中间体的命运尚未得到充分研究。此外，源水中的卤素（尤其是溴化物和碘化物）对前体去除与DBP种类之间关系的影响也缺乏系统的关注。

因此，本系统综述通过四个相互关联的维度综合了27项符合条件的研究：（i）DBP前体的特性和来源，（ii）EC的操作条件和去除机制，（iii）DBP生成潜力的变化以及DBP种类的变化，（iv）水样特性（包括溶解有机物质（DOM）组成和卤素含量）的影响。本综述不仅根据总溶解有机碳（DOC）或UV₂₅₄的去除效果来评估EC，还强调前体的去除或转化是否转化为DBP生成和毒性的净减少。这一框架提供了更侧重于DBP的EC评估，并确定了从实验室规模研究向实际饮用水处理过渡的具体研究优先事项。

章节片段

文献搜索策略

进行了系统的文献搜索，以确定研究电化学在去除DBP前体和缓解水和废水处理中DBP生成方面的作用的研究。搜索使用了四个主要的科学数据库，即Scopus、Web of Science、ScienceDirect和Google Scholar，以确保涵盖相关经过同行评审的出版物。

使用了包括“电凝聚（electrocoagulation）”和“消毒（disinfection”在内的关键词组合。

溶解有机物质（DOM）的来源

水环境中的DOM来自NOM和AOM，它们各自为DBP的形成提供了不同的前体，如图2所示。自然来源主要包括陆地植被的分解、微生物生物量和水生植物，产生腐殖物质（腐殖酸和富里酸）以及非腐殖化合物（如氨基酸、碳水化合物和脂肪酸）[29]。这些天然存在的化合物在原始地表水中占主导地位，并且已被广泛认可

电凝聚去除有机DBP前体

图4展示了EC去除水中DBP前体的基本机制。在施加电流时，sacrificial 金属阳极溶解并释放金属离子（Mn⁺），这些离子水解形成非晶态金属氢氧化物（M(OH)_n），作为原位絮凝剂。这些氢氧化物絮体通过电荷中和、吸附和扫掠絮凝作用去除溶解的有机物质，从而有效地捕获NOM和其他DBP前体。

电凝聚控制DBP前体的综合机理框架

在讨论各个操作参数之前，了解它们如何共同影响电凝聚（EC）的性能是很重要的。如图5所示，电极材料、电流密度、施加电压、pH值、盐度和反应时间以及电极间距决定了金属离子、氢氧化物絮体、氢气泡和活性氧化物种的电化学生成。这些电化学生成的物种随后决定了电荷

与化学混凝的比较

传统的化学混凝（CC）仍是饮用水处理中去除DOM最广泛采用的技术，因为它操作简单、资本投入相对较低，并且有成熟的设计标准。然而，电化学作为一种有前景的替代方案出现了，因为它能够在原位生成絮凝剂，减少化学品消耗，并同时去除更广泛的有机和无机污染物[22]。如表3所述，

电凝聚控制DBP的挑战

尽管EC在去除DBP前体方面非常有效，但在其广泛应用之前仍存在几个挑战。主要问题之一是EC在消除和转化有机物质方面的双重作用。虽然EC能够有效去除高分子量（HMW）、芳香性和疏水性NOM，但电化学氧化可能会产生低分子量（LMW）化合物[27]、[122]，这些化合物在氯化或氯化过程中仍具有反应性，如果操作条件不当，可能会增加DBP的生成

结论

电化学作为一种有前景的预处理技术，通过有效去除NOM和AOM前体来控制DBP的形成。与传统化学混凝不同，EC在单一过程中结合了原位絮凝剂生成、吸附、电荷中和、电浮选和有限氧化，从而能够有效去除负责形成THMs和HAAs的疏水性、芳香性和高分子量有机成分。综述的研究

CRediT作者贡献声明

Ansiha Nur：撰写——初稿、资源准备、方法论、调查、数据整理、概念化。Wisnu Prayogo：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、调查、数据分析。Aditya Prana Iswara：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法论、概念化。Muammar Qadafi：撰写——初稿、可视化、调查、数据分析。Mhd. Fauzi：撰写——

撰写过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT来完善手稿并制作图5和图6。使用该工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。

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作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者声明本研究未获得任何公共、商业或非营利部门的特定资助。

Ansiha Nur|Wisnu Prayogo|Aditya Prana Iswara|Muammar Qadafi|Moondra Zubir|Mhd. Fauzi