转自：环境催化
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本文是一篇发表在《Nature Water》上的研究成果，标题为“Solar-driven sewage sludge electroreforming coupled with biological funnelling to cogenerate green food and hydrogen”，作者团队由来自新加坡南洋理工大学、澳大利亚莫纳什大学、香港中文大学等机构的研究人员组成。文章提出了一种集成机械-电化学-生物处理工艺，用于将城市污水污泥转化为单细胞蛋白（SCP）和绿色氢气，这一工艺对环境影响小，经济效益显著。
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背景与挑战
随着工业化和城市化的扩展，城市和工业废水处理产生的污泥量不断增加，给废物处理系统带来沉重负担。传统污泥预处理和生物回收方法耗时、能效低且对环境造成负担。本文提出的集成工艺旨在最小化环境影响的同时，实现污泥的资源化利用。
研究内容与方法
研究团队开发了一种集成的机械-电化学-生物处理工艺，该工艺能够将近91.4%的总有机碳（TOC）回收，并将其有效转化为SCP（超过63%的TOC）。同时，该工艺还能高效集中和稳定重金属，并以高效率和速率（太阳能转化为氢能的效率约为10%，速率超过13升/小时）产生绿色氢气。生命周期和技术经济分析证实了这种方法在环境和经济效益上的显著优势，与传统厌氧消化相比，CO2排放量减少了99.5%，能源消耗减少了99.3%。
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实验设计与结果
实验首先通过机械化学预处理，使用碱性催化剂（特别是氢氧化钾KOH）有效溶解有机物和去除重金属。然后，溶解的生物有机物在阳极被重组成乙酸等小有机酸，同时在阴极产生绿色氢气。产生的废水富含生物营养但不含重金属，可通过微生物工程与光合细菌结合用于SCP生产。最后，生物反应器的流出物可进一步作为液体肥料使用。
机械化学污泥解离
研究中使用了湿法球磨WAS，因为其高水分含量。实验表明，与我们之前的研究相比，由于WAS的低结晶度，机械化学处理大大减少了能耗和碱消耗，使得处理非常实用。
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电化学测量
通过电化学工作站进行WAS氧化反应（WOR）的测量。实验结果表明，hp-Ni/NF催化剂在WOR中表现出比OER更低的起始电位，并且在1.54V相对于RHE时，WOR的电流密度达到0.9 A cm−2，显示出hp-Ni/NF对WOR的高热力学和动力学优势。
产品鉴定与定量
实验评估了碳平衡，显示了约20%的TOC损失。通过MALDI-TOF-MS和GPC光谱跟踪了生物有机物的演变，并通过GC-MS鉴定了VFA产品，发现乙酸是主要产物。实验还监测了S、P、N等元素的路径，发现磷酸酯完全水解成正磷酸盐，NH4+-N和NO3−-N的比例逐渐增加。
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光伏驱动的MEA示范
实验还展示了一个商业规模的MEA流反应器系统，用于实际应用状态的研究。结果表明，该系统可以直接利用间歇性的可再生电力，并且具有很高的太阳能到氢能的转化效率。
微生物合成单细胞蛋白
实验通过光合细菌富集乙酸，同时逐步水解大分子生物量，并有效去除有害重金属，为SCP生产提供了可能。通过LC-MS分析了生物反应器中的氨基酸积累，证实了SCP的积累。
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生命周期分析（LCA）和技术经济分析（TEA）
研究还对开发的机械-电化学-生物系统进行了LCA和TEA，并与传统的污泥处理技术（如焚烧和厌氧消化）进行了比较。结果表明，该工艺在减少CO2排放和能源消耗方面具有显著优势。TEA敏感性分析表明，该技术的经济可行性在很大程度上取决于电力价格和电解工作条件。
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结论
综上所述，这项研究展示了一种将污泥转化为SCP和绿色氢气的集成工艺，实现了高价值产品的生产。该工艺不仅提高了能源和资源回收的效率，还有效去除了污泥中的重金属，为可持续发展做出了贡献。这项新方法为清洁水未来提供了巨大希望。
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https://doi.org/10.1038/s44221-024-00329-z
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