天津大学王灿团队和浙江工业大学成卓韦在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表了“光降解—生物过滤联合技术处理挥发性有机物的研究进展（Comparison of separated and combined photodegradation and biofiltration technology for the treatment of volatile organic compounds: A critical review; 2022, 52(8): 1325-1355）“的重磅综述。挥发性有机物（VOCs）是大气污染物的重要组成部分，日趋严格的排放标准对VOCs控制技术提出了更为严格的要求。光降解技术利用光降解过程中产生的强氧化性自由基，能将VOCs氧化成小分子物质。生物过滤技术是利用微生物将VOCs转化为水和二氧化碳等小分子物质的技术。但光降解技术存在着对VOCs降解不彻底、VOCs氧化中间体和光降解副产物对环境和人体健康造成巨大危害的问题。而目标VOCs的可生物降解性、生物过滤塔填料层特性和运行操作条件会影响生物过滤效果，生物过滤塔运行过程中排放的生物气溶胶还会对人类产生潜在的健康威胁。近年来，光降解—生物过滤联合技术受到了广泛关注，因为联合技术能克服光降解技术和生物过滤技术在实际应用中出现的问题。本研究从光降解—生物过滤联合技术的组合形式、联合技术与单一技术对比的优势和联合技术的相互作用机制三个层面出发，总结梳理了光降解—生物过滤联合技术处理挥发性有机物的研究进展，希望为未来的VOCs控制研究提供有价值的见解。
图1 图文摘要（Graphic abstract）
光降解—生物过滤联合系统可分为三种类型（图2）。如图2(a)所示，最常用的组合方式为光降解技术被用作生物过滤技术的预处理。前置的光降解能处理部分VOCs，从而降低后续生物过滤塔的负荷。此外，由于VOCs在光降解过程中被氧化成小分子物质，提高其可生物降解性，后续的生物过滤性能得以大幅提高。如图2(b)所示，光降解技术被用作生物过滤技术的后处理。前置的生物过滤技术能有效去除大部分VOCs，而未处理的少量VOCs后续由光降解处理。此外，光降解技术能改变微生物的DNA结构，干扰了大多数微生物的复制。因此，后置的光降解还能控制生物过滤塔排放的生物气溶胶。如图2(c)所示，光降解技术和生物过滤技术能相互结合。与其他两种形式的光降解—生物过滤联合系统相比，该联合系统只需设置一个反应器。这种联合系统中，光降解具有双重效应：一方面，VOCs光降解过程中产生臭氧和氧化自由基有利于生物过滤过程；另一方面，紫外线可以杀死微生物，控制生物气溶胶的排放。然而，由于光降解和生物过滤过程同时进行，该系统内的反应机理与其他两种系统相比更为复杂。
图2 光降解—生物过滤联合系统的三种类型
光降解—生物过滤联合技术与光降解技术对比，能提升对VOCs的去除效果，降低有毒中间产物和副产物。VOCs经光降解处理后的产物为小分子物质（表1），可生物降解性高，从而提高后续的生物处理效果。而VOCs光降解的中间产物往往比原物质毒性更高。例如，四氯乙烯是三氯甲烷的一种光降解产物，但四氯乙烯的LD50为4678 mg/kg，而三氯甲烷的LD50仅为894 mg/kg。但生物过滤技术能有效去除有毒的光降解中间产物。当氯苯经光降解处理后，排放气体急性生物毒性为12 mg-Zn2+/L，但经后续生物过滤技术处理后，排放气体的急性生物毒性能低于5 mg-Zn2+/L。联合技术还能控制光降解过程产生的主要副产物臭氧的浓度。氯苯光降解过程中产生的臭氧浓度可达20 mg/m3，但经生物过滤技术处理后，臭氧浓度能降低至5 mg/m3。
而光降解—生物过滤联合技术与生物过滤技术对比，具有增强去除效果、提升抗冲击负荷能力，控制生物量积累和气溶胶排放的优势。采用生物过滤技术处理疏水性VOCs时，VOCs难以通过水膜与生物膜接触实现降解。但经光降解技术预处理能使疏水VOCs被氧化成可溶性和可生物降解的小分子物质，在后续的生物过滤处理过程中很容易被去除。光降解—生物过滤联合系统中，光降解过程还可作为缓冲过程，能减少VOCs浓度的波动，降低冲击负荷对生物过滤塔的影响，保持系统的稳定性。此外，光降解过程中产生的臭氧还能有效地控制生物量积累，从而有效地减少生物气溶胶的排放。如图3所示，与机械搅拌、空气反冲洗、水洗、酸洗、碱洗等生物量控制技术相比，通入臭氧能有效控制生物量积累，同时不会对去除率产生明显影响。
图3 不同生物量控制技术效果的总结
在光降解—生物过滤联合系统中，光降解系统对生物过滤系统的影响机制包括：影响生物膜特性，改善填料层结构，改变微生物特性，影响VOCs降解途径。光降解过程中产生的臭氧能通过氧化部分微生物和EPS控制生物过滤塔内生物膜的厚度，从而改善生物过滤塔内的传质过程，提升去除性能。臭氧还能控制生物量积累。被臭氧杀死的微生物无法附着在填料表面，很容易被喷淋的营养液冲走，进而改善填料层结构，增加填料层内部的气体通道。VOCs经光降解后转化小分子物质。与原物质相比，这些小分子物质更易溶解和生物降解。由于微生物的碳源由VOCs转变为小分子物质，所以微生物的群落特性和代谢活性也会发生变化。由于VOCs的转化和微生物特性的变化，光降解—生物过滤联合系统对VOCs的降解途径也发生了变化（图4）。此外，生物过滤系统能降低光降解系统在联合生物过滤系统中的能耗，改善光降解系统的投资和运营费用。在光降解—生物过滤联合系统中，由于VOCs及其光降解产物能被随后的生物过滤塔高效降解，所以光降解系统并不需要对VOCs表现出很高的去除效率。此外，即使光降解装置因日常维护停止运行，生物过滤塔也可以在一段时间内高效运行。这一结果可用于优化光降解—生物过滤组合系统的设计和运营。
图4 光降解—生物过滤联合系统中VOCs降解途径
目前，光降解与生物过滤联合技术已被证明是一种很有前景的VOCs处理技术。联合后，光降解系统和生物过滤系统相互作用，包括对生物膜、填料层、微生物特性和降解途径的影响。一方面，该联合工艺在提高去除性能、去除有毒产物、减少臭氧等方面具有优势；另一方面，与生物过滤技术相比，联合技术在提高去除性能、控制生物量积累、减少生物气溶胶、抗冲击负荷性能等方面具有优势。光降解—生物过滤联合技术的优势可促进其在实际工程中的应用。韩梦非，博士，2021年于天津大学获得工学博士学位。博士期间主要研究方向为废气生物净化，承担天津大学优博基金等2项科研项目。在CREST, STOTEN, Chemosphere, JEM, BEJ等SCI期刊发表论文10余篇。王灿，教授，博士生导师，天津大学环境科学与工程学院环境工程系主任，入选国家级青年人才计划，天津市杰出青年科学基金获得者，获得第三届中国环境科学学会青年科学家奖。长期从事环境微生物与有机废气生物控制方面的研究，在介气微生物利用与控制领域已出版学术专著3部，以第一或通讯作者发表期刊论文100余篇，其中SCI论文70余篇；获得授权专利20余项，研究成果实现了技术转化，并进行了工程应用，取得了良好效果，获得天津市环境保护科学技术一等奖、天津市科技进步一等奖、2020年度“首创水星奖”等奖项。成卓韦，教授，博士生导师，浙江工业大学环境学院教师。长期从事气态污染物的绿色净化与转化方面的应用研究，部分成果突破了传统生物净化技术应用的瓶颈，实现了大规模的工程应用。以第一或通讯作者发表期刊论文60余篇，授权发明专利20余项，其中美国等国际专利2项，出版教材3部，主持或参与团体标准3项。研究成果获中国石油和化学工业联合会科技进步二等奖、教育部高等学校科学研究优秀成果奖科学技术进步奖一等奖、中华环保联合会自然科学奖特等奖、中国商业联合会科学技术进步奖特等奖各1项。