综述：将活性炭与膜生物反应器结合的技术进步，用于更有效地去除新出现的污染物

《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Advancements in integrating activated carbon with membrane bioreactors for enhanced removal of emerging contaminants

　　**Mohamad Razif Mohd Ramli | Abdul Wahab Mohammad | Mohd Sobri Takriff | Adewale Olalekan Giwa**
**阿拉伯联合酋长国沙迦大学科学与工程研究学院，沙迦 27272**

**摘要**
新兴污染物（ECs）日益被认为是对水生生态系统和人类健康的关键威胁。传统的废水处理系统往往无法有效去除这些微量污染物。膜生物反应器（MBR）系统将膜分离与生物降解结合在一起，已成为一种先进的处理技术；然而，它们仍然面临诸如膜污染、高运行成本以及针对特定ECs的去除效率有限等问题。最近，将活性炭（AC）集成到MBR配置中作为一种可行的策略受到了关注，通过吸附和生物降解机制相结合来增强污染物去除效果。本综述系统地分析了AC在MBR系统中的最新发展，涵盖了多种配置。同时，也指出了持续存在的挑战，特别是与长期膜污染、AC耗尽和再生以及分子和生物膜尺度上的机制不确定性相关的问题。AC在MBR中的集成代表了废水处理领域的一项有前景且可持续的进步，为城市和工业应用中的高效ECs控制提供了灵活的平台。

**部分摘录**

**缩写**
AC - 活性炭
AC-MBR - 活性炭-膜生物反应器
AOPs - 先进氧化工艺
AP - 酸化潜力
BAC - 生物活性炭
BPAB - 双酚类
ACOD - 化学需氧量
c-di-GMP - 环状二鸟苷一磷酸
CFD - 计算流体动力学
DRP - 主要去除途径
ECs - 新兴污染物
EDCs - 内分泌干扰化合物
EPE - 富营养化潜力
EPS - 细胞外聚合物物质
EAC - 挤出活性炭
EBCT - 空床接触时间
FAC - 纤维活性炭
FDR - 流量

**符号**
| 符号 | 单位 | 描述 |
| --- | --- | --- |
| Amg | 克（干固体重量） |
| Amm2 | 平方毫米（膜表面积） |
| Bmg | 毫克（灰分重量） |
| JLm?2h?1 | 膜渗透率（单位：J/l·m?2·h?1） |
| Jintial | 初始渗透通量（单位：J/l·m?2·day?1） |
| Jfinal | 最终渗透通量（单位：J/l·m?2·day?1） |
| Pin | 带压侧压力（单位：Psi） |
| Pef | 出水侧压力（单位：Psi） |
| Qlh?1 | 渗透流量（单位：l/h） |
| Qam3 | 海水流量（单位：m3） |
| Qwm3 | 气浮池体积（单位：m3） |
| Vreactorm | 生物反应器体积（单位：m3） |
| XmgL?1 | 混合液悬浮固体浓度（单位：mg/L） |

**MBR技术概述**
MBR技术的概念最早由Smith等人于1969年通过Dorr-Oliver研究计划提出，该计划使用外部超滤膜模块将处理后的水与活性污泥分离。MBR技术现在被认为是一种坚固且相对能耗较高的技术，主要由于需要进行高级废水处理，将生物降解过程与基于膜的固液分离（如微过滤或超滤）结合在一起。

**活性炭在ECs去除中的应用**
全球活性炭的产量每年以平均5.5%的速度稳定增长，预计这一趋势在未来几年将继续并可能加速[62]。活性炭是一种无味、主要由无定形碳组成的材料，具有异质性的微晶结构，外观为黑色固体[63]。根据其物理性质，活性炭可分为多种类型，包括颗粒活性炭（GAC）和粉末活性炭（PAC）等。

**AC在MBR系统中的集成**
将活性炭集成到MBR中不仅仅是一种简单的吸附和生物处理的结合。越来越多的证据表明，活性炭会以经典吸附-生物降解模型尚未完全捕捉到的方式改变反应器的生态、传质环境和污染过程。如图6所示，活性炭颗粒悬浮在膜池中，与聚合物膜表面和周围的混合液直接相互作用。

**影响性能的操作参数**
混合AC-MBR系统的性能受多个相互依赖的操作参数控制，这些参数共同决定了去除途径、污染行为、生物膜形成和长期工艺稳定性。传统分析通常单独考虑这些参数（例如PAC剂量、HRT、SRT等），但从机理角度来看，AC-MBR的行为是由它们之间的非线性相互作用决定的。本节对这些参数进行了批判性分析，并提出了新的解释。

**挑战与限制**
尽管AC-MBR系统取得了显著的进展，但仍存在一些未解决的挑战，这些问题阻碍了对其机理的理解，限制了性能的可预测性，并影响了大规模的应用。这些挑战不仅源于操作的复杂性，还源于对吸附-生物降解耦合、微生物适应、污染转变和碳老化的基础知识的不足。以下小节将对这些持续存在的限制进行批判性探讨。

**结论**
将活性炭（AC）集成到膜生物反应器（MBR）中是处理新兴污染物（ECs）的一项重要进展，它通过协同结合吸附、生物降解和膜分离实现了更高效的去除效果。本综述表明，混合AC-MBR配置能够一致地实现多种微量污染物的优异去除效率，包括药物、抗生素和内分泌干扰物，据报道去除率非常高。

**关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明**
在准备本作品期间，作者使用了ChatGPT等AI工具进行校对。使用该工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对出版物的内容负全责。

**作者贡献声明**
Mohamad Razif Mohd Ramli：撰写——原始草案，数据整理
Abdul Wahab Mohammad：撰写——审稿与编辑，监督，概念构思
Mohd Sobri Takriff：撰写——审稿与编辑，监督
Adewale Olalekan Giwa：验证，监督，研究