綠色革新：資源回收型電化學厭氧膜生物反應器誕生
【化工儀器網 項目成果】中國科學院生態環境研究中心研究員、中國工程院院士曲久輝院士團隊在電化學厭氧膜生物反應器(eRAnMBR)方面取得了突破性進展。該研究成果近日發表于《自然-通訊》(Nature Communications)，標志著污水處理技術在資源回收與能源領域邁向了新的高度。
生物反應器是利用酶或生物體(如微生物)所具有的生物功能，在體外進行生化反應的裝置系統，它是一種生物功能模擬機，如發酵罐、固定化酶或固定化細胞反應器等。在醫藥生產、有機污染物降解方面扮演著至關重要的角色。
在當前全球面臨環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行業綠色低碳轉型的重要方向。然而，傳統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可持續發展任務中的“重中之重”。
鑒于此，曲久輝團隊創建了資源回收型電化學厭氧膜生物反應器。這一突破性的技術將電化學調節與污水處理技術相結合，通過耦合電化學調節，有效地解決了以上難題。
eRAnMBR采用了獨特的鎂陽極-導電膜雙陽極與石墨陰極結構，這一設計不僅有效解決了傳統厭氧膜生物反應器存在的膜污染問題，還實現了廢水中碳、氮、磷等關鍵資源的全面回收。通過鎂陽極釋放的鎂離子與廢水中的氨氮和磷酸鹽結合，生成鳥糞石，同時陰極析氫反應提升了局部pH值，促進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，研究團隊還深入探索了膜表面濾餅層結構的調控對膜污染的緩解機制，發現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二級結構中氫鍵的比例，有效削弱了凝膠層的形成，使濾餅層結構變得疏松多孔，極大改善了膜污染問題。此外，電化學反應強化了種間直接電子傳遞，豐富了產甲烷途徑，使得產生的甲烷純度高達94%。這種能量回收的效率是傳統方法難以企及的。
成本估算表明，若對eRAnMBR產生的甲烷進行電能回收利用，將足以覆蓋反應器的電力和電極消耗成本，顯示出良好的經濟可行性。同時，由于其具備工藝簡潔、膜維護需求低、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。
曲久輝院士團隊的這項突破性研究，不僅為解決污水處理行業的長期難題提供了創新性解決方案，也為推動水務行業向更加綠色、低碳的方向轉型貢獻了重要力量。未來，隨著該技術的進一步優化和應用推廣，有望在全球范圍內促進水資源的可持續管理和利用。
素材來源：中國科學院生態環境研究中心
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