高級氧化-生物降解近場耦合技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

于博洋，崔曉春，曹野，董雙石，周丹丹

(1. 東北師范大學(xué) 吉林省水污染控制與資源化工程實驗室，長春 130024； 2. 吉林大學(xué) 地下水資源與水環(huán)境教育部重點實驗室，長春 130021)

現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)發(fā)展與城鎮(zhèn)化，越來越多的復(fù)雜有機物在生產(chǎn)與生活過程中使用并排放至水環(huán)境，帶來了日益嚴(yán)峻的水質(zhì)惡化問題。值得關(guān)注的是，滿足行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)廢水(如制藥、焦化、印染、醫(yī)療等廢水)中依然存在大量毒性有機物[1-3]，采用傳統(tǒng)方法一般難以將其深度去除與礦化。近年來，地表水、地下水，甚至飲用水中都檢測出了抗生素、激素、農(nóng)藥、酚類等持久性有機物，它們易在水環(huán)境和水生物鏈中發(fā)生累積，對水生態(tài)和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[4]。

光催化、臭氧氧化等高級氧化技術(shù)(Advanced oxidation process，AOP)對難降解有機物去除具有顯著優(yōu)勢，但AOP普遍成本高，活性物種易淬滅失活導(dǎo)致穩(wěn)定性差、攻擊具有非選擇性，故反應(yīng)進(jìn)程不可控；傳統(tǒng)生物處理手段，如活性污泥法、生物膜法等，雖然普適性強、抗沖擊能力好，但對持久性污染物降解能力有限，且常因毒性脅迫導(dǎo)致微生物活性降低甚至衰亡[5-6]。

2008年，亞利桑那州立大學(xué)Rittmann教授課題組提出了光催化氧化-生物降解直接耦合技術(shù)(Intimately coupled photocatalytic and biodegradation，ICPB)，研發(fā)了光催化流化床生物膜反應(yīng)器(Photocatalytic circulating-bed biofilm reactor，PCBBR)[7]，首創(chuàng)了高級氧化-生物降解近場耦合技術(shù)(Intimately coupled advanced oxidation and biodegradation，ICAB)的概念。至今，ICAB技術(shù)在催化劑的制備與修飾、載體材料的遴選、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與污染物處理模型的構(gòu)建方面均取得了較大的進(jìn)展。筆者對ICAB的研究現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)綜述，并對其實際工程轉(zhuǎn)化所面臨的瓶頸問題進(jìn)行討論分析，對這一新興技術(shù)所表現(xiàn)出的蓬勃生命力和開闊市場前景進(jìn)行展望。

1 ICAB的概念與基本特征

1.1 ICAB的概念

高級氧化-生物降解近場耦合技術(shù)(ICAB)是指將生物膜培養(yǎng)于載體孔隙內(nèi)部，利用高級氧化技術(shù)產(chǎn)生的強氧化自由基將難生物降解的污染物氧化，同時，產(chǎn)生的可生物降解中間體被孔隙中的微生物迅速利用并礦化的技術(shù)。由于生物膜附著于載體內(nèi)部，避開了氧化自由基的攻擊，從而保障了體系中微生物的活性和穩(wěn)定性[8-9]。目前已用于高級氧化-生物降解近場耦合的高級氧化方法包括光催化氧化、臭氧氧化法等。該技術(shù)突出的特點為高級氧化反應(yīng)與生物降解作用在時間上和空間上同步完成，因此，被命名為“近場(直接)耦合反應(yīng)”[10]。

1.2 ICAB的基本特征

圖1 ICAB反應(yīng)體系技術(shù)原理示意圖(以光催化 氧化-生物降解直接耦合技術(shù)為例)Fig.1 Technical schematic diagram of ICAB reaction system (Example of intimately coupled photocatalytic and biodegradation)

1.3 ICAB的優(yōu)勢

ICAB技術(shù)首先解決了分段物化-生物降解組合技術(shù)的不足，避免了高級氧化控制不當(dāng)導(dǎo)致污染物降解不完全或過度氧化的問題[12]；其次，ICAB體系內(nèi)微生物降解作用降低了光催化中間產(chǎn)物對自由基的競爭[13]，使其更專一地攻擊目標(biāo)難降解污染物。以三氯酚(TCP)降解為例，單一光催化對TCP(初始濃度為14 μmol/L)的去除率為83%[14]，但對可溶性有機碳DOC(Dissolved Organic Carbon)的去除沒有顯著的貢獻(xiàn)。與之相比，ICAB反應(yīng)不僅進(jìn)一步提升了TCP的去除效率，出水DOC的濃度較單獨的光催化反應(yīng)降低了90%。周丹丹團隊采用ICAB處理典型抗生素四環(huán)素(TCH)時發(fā)現(xiàn)，ICAB使得TCH母體的降解效率高達(dá)90%，與單獨光催化反應(yīng)相比，化學(xué)需氧量COD(Chemical Oxygen Demand)去除率提高了20%以上[15]，出水毒性顯著削減?？梢?，ICAB技術(shù)使高級氧化與生物降解互作互補，在強化有機污染物的高效去除、礦化與毒性削減方面具有顯著優(yōu)勢。

2 ICAB體系的核心組成與作用

2.1 載體及作用

多孔載體是近場耦合體系能夠運行的核心所在，高級氧化-生物降解近場耦合技術(shù)中承載生物膜和催化劑的載體一般為多孔材料，應(yīng)當(dāng)滿足下列條件：1)具有適宜的濕密度和親水性，能夠在廢水中懸浮，使廢水中的有機物和營養(yǎng)組分，以及高級氧化產(chǎn)物能在其孔隙中高效傳質(zhì)；2)具有適宜的孔隙率，其骨架為催化劑提供足夠的負(fù)載面積，其孔隙體積滿足生物膜的附著空間；3)具有相當(dāng)?shù)奈锢砼c化學(xué)穩(wěn)定性，在工藝長期運行過程中無顯著磨損并不會被自由基氧化；4)具備理想的生物兼容性，有助于微生物膜初期附著、形成及其穩(wěn)定。目前，已用于高級氧化-生物降解近場耦合技術(shù)的多孔材料有多孔纖維素、陶瓷載體、泡沫碳和聚氨酯海綿等[7, 16]，如圖2所示。

圖2 ICAB技術(shù)中采用的多孔載體材料[7, 16]Fig.2 Physical picture of carrier used in ICAB

2.2 氧化劑與氧化反應(yīng)

高級氧化-生物降解近場耦合(ICAB)體系中的高級氧化反應(yīng)，是生物降解對有機物毒性削減與礦化的前提條件，其目的是將有機物轉(zhuǎn)化為可生物降解的中間產(chǎn)物，再為微生物代謝提供適宜的底物。應(yīng)用于ICAB技術(shù)的高級氧化反應(yīng)主要包括紫外光解、光催化氧化和臭氧氧化等[17]。

在ICAB研發(fā)的早期，Rittmann課題組將紫外光解(P)與生物降解(B)近場耦合(ICPB)處理人工模擬苯酚廢水[7]。紫外光解過程中，化合物吸收光子，然后通過光照誘發(fā)能量釋放，從而實現(xiàn)氧化反應(yīng)，破壞苯酚母體結(jié)構(gòu)[18]。在紫外光的激發(fā)與生物降解的協(xié)同作用下，苯酚去除率較單一生物降解提高了28%，較單一光解提高了22%，COD去除率達(dá)84%[19]。張永明課題組對這一體系開展了系統(tǒng)的研究，包括對典型生物抑制性污染物三氯酚、硝基苯、吡啶的降解[20-22]。以硝基苯為例，單獨的紫外光解會導(dǎo)致過度氧化及中間產(chǎn)物硝基苯酚累積。與之相比，ICPB體系則生成更多的生物理想底物草酸，使生物活性顯著提高。

為了利用太陽光作為光源，Zhou等[10]將可見光催化氧化技術(shù)應(yīng)用于ICPB體系中，其核心原理是拓展催化劑材料的光譜響應(yīng)范圍，利用可見光激發(fā)催化反應(yīng)。該團隊研發(fā)了新型Er-Al摻雜、Ag摻雜、N摻雜TiO2等系列可見光響應(yīng)催化劑[26-28]，并采用自組裝方法顯著提高了負(fù)載型可見光響應(yīng)催化劑的光催化性能，實現(xiàn)了基于可見光響應(yīng)的ICPB反應(yīng)，解決了紫外光作用下ICPB體系中細(xì)胞裂解、溶解性微生物代謝產(chǎn)物溶出和中間產(chǎn)物累積的問題，成功應(yīng)用于酚類、氯代有機物和典型抗生素等高毒性有機廢水處理，微生物活性與群落演替趨于良性循環(huán)，有機物的降解與礦化效率顯著提高[29-30]。近年來，更多的可見光響應(yīng)催化劑被研發(fā)并應(yīng)用于ICPB體系，包括Bi12O17Cl2、Mpg-C3N4、Mn3O4/MnO2-Ag3PO4等[31-33](詳見表1)。基于可見光響應(yīng)的ICPB技術(shù)研發(fā)推動了其朝向更加環(huán)保低耗的方向發(fā)展。

表1 不同催化劑進(jìn)行ICPB技術(shù)處理難降解污染物相關(guān)指標(biāo)及去除污染物情況Table 1 The parameters and removal of contaminants by ICPB technology with different catalysts for the treatment of refractory contaminants

基于光催化氧化與生物降解近場耦合的ICPB體系，存在光源穿透性差、光源能耗高和催化劑二次污染的問題。與光催化氧化技術(shù)相比，臭氧同樣具有強氧化性(標(biāo)準(zhǔn)電位為2.07 eV)，且無需光源供給、不涉及到催化劑穩(wěn)定負(fù)載等問題，還具有無反應(yīng)物殘留、傳質(zhì)效率高等優(yōu)勢[34-35]。2020年，Su等[36]首次提出以臭氧氧化替代光催化的臭氧氧化-生物降解近場耦合體系(Simultaneous combination of ozonation and biodegradation，SCOB)，并明晰了不對生物膜產(chǎn)生脅迫作用的臭氧劑量范圍。研究結(jié)果表明，該技術(shù)能夠顯著提高四環(huán)素的降解并降低出水毒性。當(dāng)臭氧劑量為2.0 mg/(L·h)時，穩(wěn)定運行的SCOB在2 h內(nèi)即可去除97%的TCH，降解產(chǎn)物對金黃葡萄球菌無毒性。與單獨臭氧氧化相比，TCH降解反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)提高了29%。SCOB運行6個周期，生物膜中生物量穩(wěn)定，細(xì)胞結(jié)構(gòu)未見顯著破損。臭氧氧化-生物降解近場耦合技術(shù)為ICAB應(yīng)用于實際工業(yè)廢水提供了新的思路。

2.3 生物膜與生物降解作用

ICAB體系中生物膜承擔(dān)著代謝高級氧化中間產(chǎn)物并終極礦化的作用，也對高級氧化活性物種專一性攻擊目標(biāo)污染物起到了關(guān)鍵作用。ICAB啟動初始，實現(xiàn)高級氧化與生物降解協(xié)同反應(yīng)的過程是生物膜微空間分布調(diào)節(jié)的過程，也是生物群落演替的過程。近年來，為了提高微生物的活性，共代謝的策略被應(yīng)用到ICAB技術(shù)中，并發(fā)現(xiàn)其對污染物礦化與毒性削減起到了積極作用。

圖3 ICAB體系下微生物空間分布情況[11]Fig.3 Spatial distribution of microorganisms in ICAB

2.3.2 生物群落演替 在ICAB處理毒性有機物時，微生物群落在面對擾動時保持其性能水平的能力(抵抗力)和受到擾動后恢復(fù)穩(wěn)態(tài)性能的能力(彈性)是維持微生物活性和礦化效率的關(guān)鍵[37]。研究表明，ICPB在四環(huán)素(TCH)廢水處理過程中，TCH的刺激導(dǎo)致Methylibium富集，以及含有TCH抗性基因種屬Runella增加[38]。四環(huán)素在高級氧化作用下被分解為小分子芳香族中間產(chǎn)物，使得兩個降解芳香烴及其衍生物菌屬(Comamonas和Pseudomonas)豐度顯著升高。Li等[24]對ICPB技術(shù)降解2，4，5-TCP體系中生物群落演替過程進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)ICPB體系中細(xì)菌群落的多樣性顯著降低?；钚晕勰嘀谐Ｒ姷臈U狀革蘭氏陰性菌屬Thauera在載體上附著的生物膜中占主導(dǎo)地位，但在ICPB體系中幾乎被完全淘汰。相反，在ICPB體系運行之前豐度很低的5個屬Ralstonia、Bradyrhizobium、Methylobacterium、Cupriavidus和Pandoraea在載體中的富集度很高。雖然這些菌屬大都具有脫氯能力和/或降解氯苯酚衍生物的能力，但并未發(fā)現(xiàn)能直接對2，4，5-TCP進(jìn)行生物降解。以上研究表明，ICPB體系中的群落結(jié)構(gòu)向提高生物降解與礦化中間產(chǎn)物能力方向發(fā)生演替，這有利于維系反應(yīng)器中的生物量和生物降解功能。

2.3.3 共代謝策略應(yīng)用 微生物的共代謝作用是指當(dāng)環(huán)境中存在易生物降解的物質(zhì)(一級基質(zhì))作為生物的唯一碳源的情況下，微生物可以對難生物降解物質(zhì)(二級基質(zhì))進(jìn)行分解代謝的過程[39]。目前，共代謝的機制還沒有統(tǒng)一的定論，但有很多研究者指出一級基質(zhì)的存在能使微生物維持較高的代謝活性。Xiong等[38]采用外加醋酸鹽的手段，探討了共代謝對ICPB降解四環(huán)素TCH的影響。外加醋酸鈉(NaAC)后，生物膜中的活菌比例從56%提高至86%，生物膜活性顯著提高，ICPB對TCH的降解效率從90%提高到了95%，降解速率常數(shù)提高了40%，出水溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)降低了5.2 mg/L。同時，生物群落結(jié)構(gòu)演替并富集了Thauera、Pseudomonas、Runella等與TCH或其中間產(chǎn)物降解有關(guān)的菌屬，強化了TCH光催化降解中間產(chǎn)物的降解。中間產(chǎn)物分析結(jié)果進(jìn)一步揭示，投加NaAC后ICPB中產(chǎn)生的一些含π-π共軛體系的小分子中間產(chǎn)物能被微生物進(jìn)一步降解。這說明外加電子供體策略提高了生物活性，不僅能夠強化高級氧化效率，還能夠有效避免光催化中間產(chǎn)物的累積。

然而，多種污染物的投加在ICAB反應(yīng)過程中并不全是正向作用。在多種污染物并存的復(fù)雜體系中，高級氧化步驟可能因電子爭奪而被限速[13]。Tang等[22]研究發(fā)現(xiàn)，加入中間產(chǎn)物二羥基吡啶(2HP)后，吡啶的降解受到了抑制，二者之間發(fā)生了相似的單加氧化合反應(yīng)，互相之間存在電子競爭；Zhang等[27]研究了苯酚和鄰苯二酚對4-氯酚降解的影響，加入苯酚后，4-氯酚的去除效率提高了11%，脫氯效率提高了16%，但加入鄰苯二酚后，去除率下降19%，其原因也是苯酚的光降解產(chǎn)物提供了額外的電子供體而鄰苯二酚卻與4-氯酚在ROS的利用上產(chǎn)生了競爭。這在一定程度上對ICAB的降解效率產(chǎn)生了影響，而現(xiàn)實水處理中，這種現(xiàn)象恰恰是普遍存在的。為此，在進(jìn)行實際處理前，應(yīng)對水體中污染物的降解途徑進(jìn)行分析，在發(fā)生電子爭奪的污染物體系中提供電子供體以提高降解速率。

2.4 ICAB反應(yīng)數(shù)值模擬

數(shù)學(xué)模型的建立對ICAB技術(shù)的工藝放大和機理揭示有重要意義。周丹丹團隊[40]以四環(huán)素TCH為目標(biāo)污染物，以光催化反應(yīng)中間產(chǎn)物為橋梁，將傳統(tǒng)的光催化模型與生物降解模型巧妙耦聯(lián)，構(gòu)建ICPB體系的數(shù)學(xué)模型。模型建立做出如下假設(shè)：1)ICPB達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，附著在海綿載體上的生物衰亡與生長達(dá)到平衡，生物量為常數(shù)[41]；2)通過一系列的生物降解反應(yīng)，所有的光催化中間產(chǎn)物的碳最終都可以被礦化成CO2[15]；3)所有中間產(chǎn)物(包括被ROS攻擊和好氧生物降解產(chǎn)生)的濃度以COD代替；4)以光催化反應(yīng)中產(chǎn)生的最主要的活性物種的量來代替整個反應(yīng)產(chǎn)生的所有活性物種的量。

首先，設(shè)計了ICPB降解和礦化TCH的基礎(chǔ)試驗，獲得TCH光催化降解二級反應(yīng)速率常數(shù)及中間產(chǎn)物降解速率等模型基礎(chǔ)參數(shù)；其次，基于假設(shè)2)和3)，光催化降解TCH所產(chǎn)生的中間產(chǎn)物被微生物進(jìn)一步氧化并最終礦化。催化劑受光激發(fā)產(chǎn)生具有強氧化性的活性物種(Reactive species, RS)，這些RS攻擊TCH生成可生物降解的中間產(chǎn)物。TCH的降解用二級動力學(xué)模型來擬合，中間產(chǎn)物的變化速率等于其生成速率減去消耗速率，其中，中間產(chǎn)物的濃度用COD代替，中間產(chǎn)物的消耗速率一部分是由生物降解引起的，這部分降解動力學(xué)用Monod模型來擬合。同時，考慮光催化劑受光激發(fā)產(chǎn)生RS的速率與RS的消耗速率，結(jié)合準(zhǔn)二級反應(yīng)動力學(xué)和Monod生長模型，建立ICPB降解TCH數(shù)學(xué)模型，如式(1)所示[40]。相似的方法，推導(dǎo)出COD降解動力學(xué)模型，如式(2)所示[40]。其中，[TCH]為鹽酸四環(huán)素濃度，mg/L；[CODT]為總化學(xué)需氧量，mg/L；[CODINT]為中間產(chǎn)物濃度，mg/L；k0為活性物種生成速率，h-1；k1為TCH的二級反應(yīng)速率，h-1；k2為COD的二級反應(yīng)速率，h-1；[RS]為活性物種初始濃度，mg/L;[TiO2]為二氧化鈦濃度，mg/L;Rm為生物最大比生長速率，h-1；Ks為半飽和常數(shù)，mg/L;X為穩(wěn)定狀態(tài)時的生物量，mg/L。采用First Optimization軟件獲得的模型擬合結(jié)果表明，模型擬合與實驗數(shù)據(jù)的相關(guān)性R2均在0.92以上，TCH降解的相關(guān)誤差低于2.1%，COD降解的相關(guān)誤差低于0.9%。

[RS]0e-(k1[TCH]+Ak1[CODINT])t)[TCH]

(1)[40]

(2)[40]

3 ICAB技術(shù)研究展望

3.1 ICAB優(yōu)勢

ICAB技術(shù)相較于單獨的高級氧化、生物降解或是二者的串聯(lián)技術(shù)，解決了生物在高毒水環(huán)境與強氧化自由基雙重抑制條件下的存活問題，并將難降解污染物的中間產(chǎn)物進(jìn)行利用，實現(xiàn)分解代謝和合成代謝。由于ICAB體系中高級氧化反應(yīng)生成中間產(chǎn)物以及微生物利用中間產(chǎn)物進(jìn)行生長兩個過程同時發(fā)生，且不產(chǎn)生新增的毒性副產(chǎn)物，難生物降解的污染物能夠被有效地礦化。ICAB技術(shù)的礦化程度明顯優(yōu)于單獨高級氧化反應(yīng)與生物反應(yīng)，并且礦化效率也有顯著提升。ICAB對不同類別的污染物都表現(xiàn)出優(yōu)秀的礦化效果，對氯酚污染物的礦化率達(dá)60%以上，對苯酚的礦化率達(dá)到90%[19]，對抗生素類污染物的礦化率達(dá)到70%[42]，處理硝基苯、氮化物和芳烴類等的礦化率也在70%以上[17, 33, 43]。然而，單獨高級氧化一般無明顯的礦化效果，單獨生物降解的處理效率也要明顯低于耦合體系。

與高級氧化相比，ICAB對處理對象具有顯著的毒性削減作用。馬躍[44]和Wang等[45]分別探討了ICPB處理四環(huán)素和阿莫西林廢水時產(chǎn)物對金黃色葡萄球菌的抑制效果，結(jié)果顯示，ICPB體系出水的抑菌圈寬度為0，而單獨高級氧化與單獨生物降解體系抑菌圈明顯，表明ICPB出水相較于其他兩種出水，未對金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出抑制性。對水蚤的活性抑制分析和對斑馬魚胚胎的孵化率和致畸率分析表明，ICPB出水幾乎對水蚤活性無抑制，斑馬魚孵化率接近100%，致畸率接近0%。蘇媛毓[46]以臭氧為氧化劑構(gòu)建的SCOB體系在處理焦化廢水時出水依然未檢測出毒性。以上結(jié)果可以表明，ICAB對出水毒性削減作用明顯。

3.2 瓶頸問題

多孔載體在ICAB體系中物理化學(xué)穩(wěn)定性差。目前，有關(guān)ICAB研究所采用的多孔載體多源自污水處理領(lǐng)域中的生物填料，并非為ICAB反應(yīng)或高級氧化反應(yīng)所設(shè)計研發(fā)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性尚不夠。以聚氨酯海綿為例，其密度接近于水、孔隙度高，是ICAB體系較為常用的載體材料。但是，因其表面發(fā)生高級氧化反應(yīng)，海綿材料也受到了活性物種的攻擊而發(fā)生了不同程度的氧化情況，導(dǎo)致材料部分溶解，甚至因此出水COD升高。Li等[24]的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過ICPB反應(yīng)后多孔載體顏色由白轉(zhuǎn)黑；筆者所在團隊發(fā)現(xiàn)，某些品牌的聚氨酯海綿在ICAB反應(yīng)過程中會釋放約150～800 mg/L的COD，且經(jīng)過長期的ICAB反應(yīng)后載體強度削弱。

反應(yīng)器設(shè)計與放大。目前，有關(guān)ICAB的研究大都基于光解和光催化氧化反應(yīng)與生物降解耦合，光源是ICPB反應(yīng)器工程應(yīng)用的關(guān)鍵屏障。一方面，實際有機廢水的濁度和色度導(dǎo)致光的穿透能力降低，另一方面，紫外光源的石英套管易被廢水中的懸浮物和微生物附著，而LED等光源在產(chǎn)生光能的同時亦釋放相當(dāng)熱能。盡管可見光響應(yīng)ICPB技術(shù)的研發(fā)使太陽光源利用成為可能，但所采用的反應(yīng)器為玻璃材質(zhì)，在實際工程中尚無法推廣。此外，目前所制備的催化劑工藝復(fù)雜、摻雜材料多為貴金屬，且伴有大量有機溶劑使用和殘余，使得催化劑的制備與穩(wěn)定負(fù)載也成為ICAB反應(yīng)器放大的瓶頸問題。

3.3 研究展望

近年來，ICAB在以優(yōu)勢活性物種影響為背景的催化劑篩選、催化劑自組裝負(fù)載方法建立與優(yōu)化、直接耦合反應(yīng)動力學(xué)模擬與驗證，以及直接耦合機制等方面取得了系統(tǒng)的研究成果。盡管ICAB這一新技術(shù)在持久性有機物礦化與毒性削減方面優(yōu)勢凸顯，然而依賴于光催化氧化技術(shù)的ICPB體系，引入光源成為其工藝組成的必要條件，成為ICPB技術(shù)工程轉(zhuǎn)化的重要技術(shù)屏障。未來需要定向設(shè)計與生物降解耦合的物化技術(shù)，拓展研發(fā)其他物化技術(shù)與生物降解直接耦合的方法，并在實際廢水處理中得以應(yīng)用。SCOB技術(shù)的研發(fā)使得ICAB反應(yīng)不再依賴于光源，但是臭氧本身可水解并導(dǎo)致生物膜受到損傷；并且臭氧氧化效率受到多方面水質(zhì)因素的影響。例如，在低pH值情況下，低降解效率的直接氧化占主導(dǎo)作用，而pH值過高則會導(dǎo)致間接氧化過程中產(chǎn)生的高濃度自由基發(fā)生相互碰撞從而產(chǎn)生自由基猝滅，阻礙鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，最終導(dǎo)致處理效果下降。SCOB技術(shù)的反應(yīng)條件和優(yōu)化還有待進(jìn)一步研究。未來待開展自由基驅(qū)動臭氧催化氧化與生物降解近場協(xié)同新技術(shù)，以期解決傳統(tǒng)耦合技術(shù)中光源限制和臭氧氧化條件等瓶頸問題，具體包括臭氧催化氧化技術(shù)研發(fā)、機制和關(guān)鍵影響因素研究。以高效低耗為導(dǎo)向，以選擇性攻擊穩(wěn)定功能性官能團結(jié)構(gòu)為目標(biāo)，以羥基自由基活性物種為優(yōu)選，研發(fā)適用于特種工業(yè)尾水處理的臭氧催化氧化技術(shù)，并解析相關(guān)機制和關(guān)鍵影響因素。

過去，關(guān)于ICAB的研究聚焦于機理研究，有關(guān)其反應(yīng)機制的認(rèn)知來自于實驗室模擬廢水。在實際工程領(lǐng)域，工業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展伴隨著制藥廢水、煤氣生產(chǎn)廢水、石油化工廢水等排放，特種工業(yè)廢水尾水不達(dá)標(biāo)的問題與中國水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)逐年提高形成了鮮明的矛盾。因此，研發(fā)適用于處理難降解工業(yè)廢水尾水的新技術(shù)，是解決工業(yè)尾水處理困難的現(xiàn)實需求。ICAB技術(shù)使出水水質(zhì)顯著提升，對目前厭氧生物處理步驟水力停留時間過長的問題給出了解決方案，相較于間接耦合式處理，節(jié)約了占地空間并簡化了反應(yīng)流程。未來應(yīng)開展ICAB技術(shù)降解工業(yè)廢水尾水的功能解析，明晰主要污染物的降解途徑，明辨ICAB技術(shù)降解實際工業(yè)尾水效率、優(yōu)勢和途徑。以理想近場耦合反應(yīng)特征模型構(gòu)建思路，構(gòu)建ICAB處理典型工業(yè)尾水?dāng)?shù)學(xué)模型，為工藝放大和中試提供理論基礎(chǔ)。開展ICAB技術(shù)中試研究，明晰以工業(yè)尾水深度處理與循環(huán)利用為目標(biāo)的工藝優(yōu)化方法與參數(shù)調(diào)控策略，并擬通過中試研究推進(jìn)新技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化與實際應(yīng)用。

ICAB技術(shù)方興未艾，在核心技術(shù)的基礎(chǔ)上克服缺點與不足，將越來越多的高級氧化技術(shù)與生物降解進(jìn)行結(jié)合以實現(xiàn)全面發(fā)展，如擬采用Fenton-生物降解近場耦合技術(shù)對冶煉廢水中的鐵離子進(jìn)行利用，節(jié)約成本并實現(xiàn)資源化和循環(huán)利用。ICAB技術(shù)為難降解污染物的去除、難降解廢水的無毒無害化排放提供了嶄新的思路，在水處理領(lǐng)域有著良好的市場前景。