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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團(tuán)隊在電化學(xué)厭氧膜生物反應(yīng)器方面取得進(jìn)展。近日，相關(guān)研究成果以Recovering nutrients and unblocking the cake layer of an electrochemical anaerobic membrane bioreactor為題，在線發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。
污水處理同步回收資源和能源是水務(wù)行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要方向。厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBR）具備能耗低、有機負(fù)荷與出水質(zhì)量高的優(yōu)點，在污水資源化領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)的AnMBR膜污染嚴(yán)重，且無法回收廢水中的氨氮和磷。
該團(tuán)隊創(chuàng)建了資源回收型電化學(xué)厭氧膜生物反應(yīng)器（eRAnMBR）。eRAnMBR采用鎂陽極-導(dǎo)電膜雙陽極、石墨陰極結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了廢水中碳、氮、磷的全回收，并緩解了膜污染。研究顯示，鎂陽極釋放鎂離子與氨氮和磷酸鹽結(jié)合生成鳥糞石；同時，陰極析氫反應(yīng)增加了局部pH，利于鳥糞石的陰極沉積，從而促進(jìn)鳥糞石與污泥的分離以實現(xiàn)原位回收。
該團(tuán)隊剖析了膜表面濾餅層結(jié)構(gòu)的調(diào)控對于膜污染緩解的效果以及電子傳遞路徑對于甲烷生成的促進(jìn)作用。研究發(fā)現(xiàn)，釋放的Mg2+增大了污泥絮體尺寸，減少了污泥顆粒與膜表面間的粘附力，并降低了胞外聚合物蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)中氫鍵的比例，從而削弱了凝膠層的形成，使濾餅層結(jié)構(gòu)變得疏松多孔。同時，電化學(xué)反應(yīng)強化了種間直接電子傳遞并豐富了產(chǎn)甲烷途徑，且產(chǎn)生的甲烷純度提高至94%。
成本估算顯示，若對eRAnMBR的甲烷電能回收利用，可覆蓋反應(yīng)器的電力和電極消耗成本。這一反應(yīng)器具有工藝簡潔、膜維護(hù)少、碳足跡低等優(yōu)點，為下一代污水處理提供了新的技術(shù)選擇。
研究工作得到國家自然科學(xué)基金的支持。 |
