文献精读:南洋理工大学Nat. Water|综合机械-电催化-生物耦合工艺设计！太阳能驱动的污泥资源化与绿氢生产

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成果掠影 & 研究背景

近日，南洋理工大学的李洪与周琰副教授（共同通讯作者）在《Nature Water》期刊上发表研究论文，题为“Solar-driven sewage sludge electroreforming coupled with biological funnelling to cogenerate green food and hydrogen”。该研究提出了一种创新的太阳能机械-电化学-生物集成工艺，旨在高效处理污泥并回收资源。该工艺融合机械化学预处理、电化学重整以及微生物转化步骤，全面回收污泥中的有机物，转化为绿色氢气及单细胞蛋白（SCP），为废弃物向资源的高效转变提供了一条可持续的技术方案。

随着城市化与工业化的加速推进，污泥产量急剧上升，对传统污水处理系统构成了严峻挑战。厌氧消化（AD）及焚烧等传统污泥处理方法面临效率低下、能耗攀升及环境污染等问题。当前，探索高效且环境友好的污泥资源化技术已成为研究焦点。本研究基于循环经济原则，设计了一种太阳能驱动的机械-电化学-生物联合工艺，旨在将污泥中的有机物转化为高价值产物——氢气与单细胞蛋白（SCP），从而实现废弃物的资源化再利用。

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研究内容 & 图文数据

（1）机械-电-生物工艺综合设计方案

首先，采用碱性催化球磨法对污泥进行机械化学预处理，旨在最大化促进有机物溶解及重金属分离；随后，将预处理后的溶解污泥液导入碱性电解槽，其中阳极发生有机物电化学转化，主要生成小有机酸（乙酸），而阴极则发生水还原反应生成绿色氢气；最后，电解产生的富含营养物质的废水被用作光养紫细菌培养介质以生产单细胞蛋白（SCP），同时收集产生的氢气。此过程中，重金属得到有效去除与稳定化，实现了污泥的资源化与能源化转化。

图1 WAS的综合分馏和升级与同步绿色制氢示意图

（2）机械化学溶解污泥有机物

图2a描绘了机械化学分离后固体相（M-WAS-R）的元素分布，其中生物营养元素硫（S）、磷（P）及钠（Na）的溶解度显著提升（分别超过77%、85%及91%，达到当前报道的最高水平），而重金属元素钙（Ca）、铝（Al）、镁（Mg）则有效富集并稳定于固体相中。图2b对比了电化学重整后液体样品（Post-WOR）与机械化学分离所得液体（M-WAS-S），结果显示重金属离子浓度进一步降低，这归因于碱度的增强及还原性沉积作用。

图2 元素分析

（3）污泥电化学重整和绿色氢气生产

通过优化电极设计，采用hp-Ni/NF（图3a,b）增强了污泥氧化反应的效能，促进了有机物的高效转化及氢气产生。图3c展示了在1.0 M KOH溶液中，hp-Ni/NF阳极在有无M-WAS-S（机械化学处理污泥溶质）存在下的线性扫描伏安曲线，表明hp-Ni/NF对污泥氧化反应（WOR）展现出高催化活性。图3d描绘了恒定电位1.55 V（相对于可逆氢电极RHE）下，6.0 gTOC L⁻¹ M-WAS-S样品的转化情况。图3e-h则运用原位拉曼光谱与X射线光电子能谱（XPS）技术深入探究了hp-Ni/NF在WOR反应中的机制，证实了镍基电极在C–C键断裂过程中的关键作用。

图3 WAS溶质的电化学升级

（4）电荷迁移动力学检测

本研究展示了污水污泥电化学重整过程中产物的分析与定量成果。具体而言：图4a揭示了有机物氧化反应（WOR）与氢气析出反应（HER）混合电解过程中，总有机碳（TOC）的损耗与转化，映射出二氧化碳的潜在生成及其对氢气产量的影响。图4b与图4c借助基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱（MALDI-TOF-MS）及凝胶渗透色谱（GPC）分析，表明电化学处理促使大分子有机物分解，分子量显著降低。图4d对电化学重整前后的蛋白质与腐殖质进行定量分析，以探究这些大分子在电化学转化中的变迁。图4e与图4f分别采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）与气相色谱-火焰离子化检测器（GC-FID）技术，鉴定了电化学重整生成的挥发性脂肪酸（VFAs）种类及其产量。

图4 产物分析

（5）反应位点与机理解析

本研究展示了光伏（PV）驱动膜电极组件（MEA）系统在处理废活性污泥（WAS）并同步生成绿色氢气方面的应用能力，以及其在太阳能驱动下的效能与效率。图5a展示了系统设计的概览图，描绘了光伏驱动MEA系统的整体布局与工作流程。图5b与5c通过对比水分解与混合WAS电重整的电流-电压（I-V）特性曲线，揭示了WOR+HER相较于水分解在动力学上的优势。图5d记录了实际运行过程中电流与电压的波动情况。图5e与5f则分别运用气相色谱-火焰离子化检测（GC-FID）与气相色谱-热导检测（GC-TCD）技术，量化分析了主要挥发性脂肪酸（VFAs）产量随时间的变化，以及所收集氢气的量与纯度，从而验证了该系统在太阳能驱动下生成绿色氢气的实际效能与效率。图5详细阐述了光氧化甲烷生成甲醛（HCHO）的反应机理及其涉及的自由基路径。借助原位X射线吸收近边结构（XANES）和原位漫反射红外傅里叶变换光谱（DRIFTS），研究发现单铜位点能够优先激活氧气（O₂）生成过氧自由基（•OOH），随后该自由基与甲基自由基（•CH₃）迅速反应，高效生成HCHO，从而大幅度提升了产物的选择性。密度泛函理论（DFT）计算进一步为这一反应路径提供了理论支撑，揭示出单铜位点对氧气分子的端向吸附促进了•OOH的生成，同时有效抑制了羟基自由基（•OH）的生成。

图5 太阳能驱动的商业规模MEA演示

图6 全生命周期和技术经济评价

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总结 & 原文链接

本研究提出了一种机械-电化学-生物联合工艺，旨在污泥处理中实现高效的有机碳回收、重金属去除及绿色氢气与单细胞蛋白（SCP）的生产，为污泥处理领域提供了一种清洁、可持续的解决方案。该工艺近乎完全回收了约91.4%的总有机碳（TOC），并在串联过程中有效转化为SCP（转化率超过63%）。同时，重金属得到有效富集与稳定化，且绿色氢气生产展现出卓越效率（太阳能转氢效率约10%）与高速率（产量大于13升/小时）。生命周期分析进一步证实，该工艺能显著削减碳排放与能耗，预示着其作为推动循环经济与资源回收的重要潜力。

DOI:10.1038/s44221-024-00329-z

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