中国科学院生态环境研究中心曲久辉院士团队在电化学厌氧膜生物反应器方面取得重要研究进展，相关成果以“Recovering nutrients and unblocking the cake layer of an electrochemical anaerobic membrane bioreactor”为题，在线发表于Nature Communications (https://www.nature.com/articles/s41467-024-53341-y).
污水处理同步回收资源和能源是水务行业绿色低碳转型的重要方向。厌氧膜生物反应器（AnMBR）有能耗低、有机负荷与出水质量高的优点，在污水资源化领域具有重要应用前景。然而，传统AnMBR膜污染严重，且无法回收废水中的氨氮和磷。为此，研究团队创建了一种资源回收型电化学厌氧膜生物反应器（eRAnMBR），该反应器采用镁阳极-导电膜双阳极、石墨阴极结构，首次实现了废水中碳、氮、磷的全回收，并显著缓解了膜污染。镁阳极释放镁离子与氨氮和磷酸盐结合生成鸟粪石；同时，阴极析氢反应增加了局部pH，有利于鸟粪石的阴极沉积，从而促进了鸟粪石与污泥的分离以实现原位回收。
研究团队深入探究了膜表面滤饼层结构的调控对于膜污染缓解的效果及电子传递路径对于甲烷生成的促进作用。释放的Mg2+增大了污泥絮体尺寸，减少了污泥颗粒与膜表面间的粘附力，并且降低了胞外聚合物蛋白质二级结构中氢键的比例，从而削弱了凝胶层的形成，使滤饼层结构变得疏松多孔。电化学反应强化了种间直接电子传递并丰富了产甲烷途径，产生的甲烷纯度提高至94%。
通过成本估算，如对eRAnMBR的甲烷电能回收利用，可以覆盖反应器的电力和电极消耗成本。该反应器具有工艺简洁、膜维护少、碳足迹低等优点，为下一代污水处理提供了新的技术选择。
该论文第一作者为博士生张宇涵，通讯作者为胡承志研究员。该研究工作得到了国家自然科学基金的支持。
图 1 电化学厌氧膜生物反应器回收碳氮磷并缓解膜污染机理
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53341-y
环境水质学国家重点实验室
2024年10月24日