《Journal of Water Process Engineering》：Disinfection and energy efficiency of photochemical, electrochemical and membrane technologies for wastewater reclamation
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本研究的目的是系统比较光化学（UVC-LED）、电化学氧化（ELOX）和膜过滤（超滤，UF）技术用于废水回用的消毒性能及能源效率。这些技术在等效和真实运行条件下进行比较，以促进在欧盟（EU）2020/741法规所设定的严格标准下，识别适用于大规模废水回用的可行
本研究的目的是系统比较光化学（UVC-LED）、电化学氧化（ELOX）和膜过滤（超滤，UF）技术用于废水回用的消毒性能及能源效率。这些技术在等效和真实运行条件下进行比较，以促进在欧盟（EU）2020/741法规所设定的严格标准下，识别适用于大规模废水回用的可行方案。比较采用中试规模连续流实验，使用实际污水处理厂（WWTP）出水及微生物指示物（大肠杆菌（Escherichia coli）、产气荚膜梭菌（Clostridium perfringens）、MS2大肠杆菌噬菌体（MS2 coliphage）和总需氧菌），评估灭活动力学和能耗。各技术的单独评估表明，电化学单元对去除大肠杆菌（LRV 5.39±0.03，达到检测限DL）和MS2（LRV 3.36±0.13，达到DL）均更有效，其灭活动力学比UVC光反应器（275 nm）分别快40%和75%。在能耗方面，电化学单元因更高的转换效率（86% vs. UVC-LED的6.5%）和更低的运行能耗，展现出显著优势，转化为0.33 kWh/m3的消耗，比UVC-LED反应器低近50%。尽管UF系统对细菌去除高效，但不仅未能去除病毒，而且被证明是能效较低的替代方案（8.33 kWh/m3）。因此，基于微生物灭活动力学和再生水的EU法规标准，电化学氧化成为可持续消毒的最有效和高效选择，尤其在同时针对细菌和病毒污染物时。无论如何，组合不同处理可提供多屏障方法，并在遵守EU水回用法规的同时扩大操作流量范围。
**论文解读：光化学、电化学与膜技术用于废水回用的消毒及能源效率比较研究**
**研究背景与问题**
全球淡水资源日益紧张，废水回用成为缓解水资源短缺的重要途径，尤其是在农业领域，其用水量占全球总消耗的85%。为保障回用水的安全，欧盟（EU）于2020年颁布了第741号法规（EU 2020/741），对再生水中微生物指标提出了更严格的要求，不仅包括对多种消毒处理敏感的大肠杆菌（*Escherichia coli*），还纳入了更具抵抗力的微生物如大肠杆菌噬菌体（coliphages）和产气荚膜梭菌（*Clostridium perfringens*）等。然而，目前全球仅约11%的废水经过处理并回用，欧洲的回用率也仅为10%–12%，且主要集中南欧地区。现有废水处理技术（如常规活性污泥法）虽能有效去除悬浮固体、有机物和部分病原体，但往往难以满足新法规对微生物的严格削减要求。因此，亟需开发并评估先进的三级或四级处理技术，如紫外发光二极管（UVC-LED）光化学消毒、电化学氧化（ELOX）和膜过滤（超滤，UF）。尽管这些技术已被单独研究，但文献中常聚焦于特定技术，且操作参数（如批次/连续流、微生物种类、废水基质等）差异巨大，导致难以有效比较其消毒效率。此外，针对EU 2020/741法规中要求的更具抵抗力的指示微生物（如产气荚膜梭菌和噬菌体）的消毒数据有限且矛盾。现有研究多在实验室规模下使用合成废水，无法反映实际废水基质对消毒性能的影响，限制了其大规模应用。因此，本研究旨在等效且真实的运行条件下（连续流、实际WWTP出水、野生菌株），系统比较UVC-LED、ELOX和UF三种技术的灭活动力学和能耗，为满足EU新法规框架下的废水回用提供择优方案。
**研究内容与结论**
研究人员开展了中试规模连续流实验，使用实际WWTP出水（来自西班牙马德里Rey Juan Carlos大学校区污水处理厂），人为添加大肠杆菌、产气荚膜梭菌、MS2噬菌体（MS2 coliphage）和总需氧菌（TAPC）作为微生物指示物，评估了三种技术在不同操作条件下的灭活效果和能耗。结果表明，ELOX在去除大肠杆菌和MS2方面最为有效，其灭活动力学比UVC-LED分别快40%和75%，且能耗最低（0.33 kWh/m3），比UVC-LED低近50%。UVC-LED对大肠杆菌和TAPC有效，但对MS2噬菌体灭活较慢，且能量转换效率低（6.5%），导致能耗较高。UF虽能高效去除细菌（大肠杆菌和产气荚膜梭菌达到检测限），但无法去除MS2噬菌体，且能耗最高（8.33 kWh/m3）。基于EU 2020/741法规对再生水的微生物标准（三级处理需对大肠杆菌和噬菌体分别实现≥3 log和≥2.5 log的额外削减），ELOX被确定为最节能有效的技术，而UVC-LED作为补充技术，组合可在更高流量（最高650–700 L/h）下满足法规要求，成本约0.057 �/m3。该论文发表在《Journal of Water Process Engineering》。
**主要关键技术方法**
本研究采用中试规模连续流装置，包含三个单元：UVC-LED光反应器（0.8 L，275 nm波长，60个LED，可调辐照度）；ELOX单元（0.08 L，Ti/MMO钛基混合金属氧化物阳极，面积270 cm2，可调电流密度）；UF膜组件（Al?O?多通道陶瓷膜，孔径100 nm，面积0.43 m2，操作压力1.5–1.75 bar）。实验用水为实际WWTP出水（经混凝-气浮、生物转盘和砂滤处理），样本来源为西班牙马德里Rey Juan Carlos大学校区污水处理厂。微生物指示物包括大肠杆菌（野生株，从WWTP进水分离）、产气荚膜梭菌（自然存在）、MS2噬菌体（ATCC 15597-B1）和总需氧菌，采用膜过滤法和双层琼脂法进行检测。灭活动力学采用Chick-Watson模型以能量为基准拟合。
**研究结果**
**3.1 微生物灭活与接收能量的关系（个体技术）**
通过绘制UVC-LED和ELOX处理下四种微生物的灭活曲线，发现灭活率随接收能量（J）线性增加，符合Chick-Watson模型。UVC-LED对大肠杆菌灭活最快（k=0.05 J?1），对MS2噬菌体最慢（k=0.02 J?1），因为MS2具有高度UVC抗性。ELOX对MS2噬菌体灭活最快（k=0.08 J?1），对大肠杆菌次之（k=0.07 J?1），分别比UVC-LED快75%和40%，因为病毒对氧化更敏感。对总需氧菌，两者k值相近（0.04 J?1）。产气荚膜梭菌因初始浓度低且孢子抗性，两种技术灭活均较慢，UVC-LED在51.5 J时达到检测限，ELOX未达到。UF单元在不同跨膜压力下，对大肠杆菌和产气荚膜梭菌去除高效（LRV>4），但对MS2噬菌体去除率低（LRV 1.44和0.84），因为MS2直径（20–30 nm）小于膜孔径（100 nm）。
**3.2 基于能量的比较评价**
以固定流量78 L/h（UF平均渗透流量）为基准，比较三种技术达到各微生物检测限所需的能量输入和消耗。能量输入方面，ELOX对大肠杆菌和MS2所需能量更低，UVC-LED对产气荚膜梭菌更优。能量消耗方面，考虑能量转换效率（ELOX 86%，UVC-LED 6.5%），ELOX展现出显著优势：对大肠杆菌能耗0.33 kWh/m3（成本0.038 �/m3），对MS2为0.18 kWh/m3（0.020 �/m3），对TAPC为0.60 kWh/m3（0.068 �/m3）；UVC-LED相应能耗为0.69、0.84和0.75 kWh/m3；UF能耗最高（8.33 kWh/m3），且无法去除MS2，不适合作为独立消毒方法。
**3.3 技术组合的模型评估**
基于EU 2020/741法规对三级处理的要求（大肠杆菌和噬菌体需额外削减≥3 log和≥2.5 log），以ELOX为主技术，UVC-LED为补充，建立模型优化操作条件。当流量超过300 L/h时，ELOX单独无法满足要求（因电流密度超过19.3 mA/cm2后灭活平台）。组合ELOX（10 V, 4.63 A）与UVC-LED可将处理能力扩展至650 L/h（MS2）和700 L/h（大肠杆菌），能耗275.5 W，成本约0.057 �/m3。
**3.4 全规模实施的意义**
讨论指出，在本研究中WWTP出水浊度已满足要求（<5 NTU），因此UF不是必需环节。组合ELOX和UVC-LED可提供多屏障消毒，而不必依赖膜过滤。UF在需要极高水质（如间接饮用回用）或控制微生物复活时可能有用，但会增加能耗和成本。对于一般农业回用，推荐的ELOX±UVC-LED组合已足够。
**总结讨论与结论**
讨论部分强调了ELOX在同时灭活细菌和病毒方面的优势，以及UVC-LED作为补充技术的价值。UF虽能去除细菌，但对病毒无效且能耗高，仅在上游预处理或额外水质要求时考虑。组合技术可在满足EU法规的同时扩大流量范围，提供灵活稳健的消毒策略。
**研究结论部分翻译**：
本研究证明，在三种评估技术（UVC-LED、ELOX和UF）中，ELOX处理是微生物灭活最节能且最有效的技术。它一致地实现了对大肠杆菌和MS2噬菌体更高的log削减值，且能耗显著低于UVC-LED和UF。尽管UVC-LED辐照也被证明有效，但其较低的能量转换效率使其在能量受限条件下竞争力不足。UF虽能去除细菌，但未能灭活MS2，且因需大量泵送而能耗较高。这些发现突出表明ELOX系统是最可行的可持续消毒选择，尤其当需同时处理细菌和病毒目标时。此外，将ELOX与UVC-LED辐照组合可扩大操作流量范围，同时满足EU严格的微生物安全标准，为水回用应用提供灵活且稳健的消毒策略。在此背景下，UF仍可被视为全规模多屏障方案中的可选上游精处理步骤，尤其当需要额外稳健性时。
