綠色革新：資源回收型電化學(xué)厭氧膜生物反應(yīng)器誕生
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心研究員、中國工程院院士曲久輝院士團(tuán)隊在電化學(xué)厭氧膜生物反應(yīng)器(eRAnMBR)方面取得了突破性進(jìn)展。該研究成果近日發(fā)表于《自然-通訊》(Nature Communications)，標(biāo)志著污水處理技術(shù)在資源回收與能源領(lǐng)域邁向了新的高度。
生物反應(yīng)器是利用酶或生物體(如微生物)所具有的生物功能，在體外進(jìn)行生化反應(yīng)的裝置系統(tǒng)，它是一種生物功能模擬機，如發(fā)酵罐、固定化酶或固定化細(xì)胞反應(yīng)器等。在醫(yī)藥生產(chǎn)、有機污染物降解方面扮演著至關(guān)重要的角色。
在當(dāng)前全球面臨環(huán)境危機與能源緊缺的時代背景下，提升污水回收效率是水務(wù)行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要方向。然而，傳統(tǒng)的污水處理方法往往存在能耗高、處理不徹底和二次污染等問題，無法滿足現(xiàn)如今污水回收處理的多樣化需求。因此，能夠高效處理污水成為該行業(yè)可持續(xù)發(fā)展任務(wù)中的“重中之重”。
鑒于此，曲久輝團(tuán)隊創(chuàng)建了資源回收型電化學(xué)厭氧膜生物反應(yīng)器。這一突破性的技術(shù)將電化學(xué)調(diào)節(jié)與污水處理技術(shù)相結(jié)合，通過耦合電化學(xué)調(diào)節(jié)，有效地解決了以上難題。
eRAnMBR采用了獨特的鎂陽極-導(dǎo)電膜雙陽極與石墨陰極結(jié)構(gòu)，這一設(shè)計不僅有效解決了傳統(tǒng)厭氧膜生物反應(yīng)器存在的膜污染問題，還實現(xiàn)了廢水中碳、氮、磷等關(guān)鍵資源的全面回收。通過鎂陽極釋放的鎂離子與廢水中的氨氮和磷酸鹽結(jié)合，生成鳥糞石，同時陰極析氫反應(yīng)提升了局部pH值，促進(jìn)了鳥糞石在陰極的沉積，從而有效分離并原位回收了這些資源。
除此之外，研究團(tuán)隊還深入探索了膜表面濾餅層結(jié)構(gòu)的調(diào)控對膜污染的緩解機制，發(fā)現(xiàn)鎂離子的釋放顯著增大了污泥絮體的尺寸，減少了污泥顆粒與膜表面的粘附力，降低了胞外聚合物蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)中氫鍵的比例，有效削弱了凝膠層的形成，使濾餅層結(jié)構(gòu)變得疏松多孔，極大改善了膜污染問題。此外，電化學(xué)反應(yīng)強化了種間直接電子傳遞，豐富了產(chǎn)甲烷途徑，使得產(chǎn)生的甲烷純度高達(dá)94%。這種能量回收的效率是傳統(tǒng)方法難以企及的。
成本估算表明，若對eRAnMBR產(chǎn)生的甲烷進(jìn)行電能回收利用，將足以覆蓋反應(yīng)器的電力和電極消耗成本，顯示出良好的經(jīng)濟(jì)可行性。同時，由于其具備工藝簡潔、膜維護(hù)需求低、碳足跡小等特點，為下一代污水處理提供了一種綠色低碳的新選擇。
曲久輝院士團(tuán)隊的這項突破性研究，不僅為解決污水處理行業(yè)的長期難題提供了創(chuàng)新性解決方案，也為推動水務(wù)行業(yè)向更加綠色、低碳的方向轉(zhuǎn)型貢獻(xiàn)了重要力量。未來，隨著該技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和應(yīng)用推廣，有望在全球范圍內(nèi)促進(jìn)水資源的可持續(xù)管理和利用。
素材來源：中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心
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