近年來(lái)，重慶研究院水污染過(guò)程與防治研究中心劉元研究員團(tuán)隊(duì)在電化學(xué)廢水全資源循環(huán)利用研究中取得系列重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了基于電化學(xué)技術(shù)的尿液全資源循環(huán)工藝體系，實(shí)現(xiàn)了氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素的高效回收與高值轉(zhuǎn)化，為污水資源化提供了創(chuàng)新性解決方案。
隨著全球人口增長(zhǎng)與消費(fèi)升級(jí)，資源循環(huán)利用已成為可持續(xù)發(fā)展的重要課題。人類(lèi)尿液雖僅占生活污水總量的1%，卻貢獻(xiàn)了其中80%的氮、50%的磷和60%的鉀負(fù)荷。傳統(tǒng)污水處理工藝難以高效回收這些資源，而直接排放又易造成環(huán)境污染。針對(duì)這一難題，劉元團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出“電化學(xué)選擇性分離-定向轉(zhuǎn)化-資源循環(huán)”三位一體技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了尿液全組分的資源化利用。
在氮磷協(xié)同回收方面，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新研發(fā)基于電化學(xué)C-N偶聯(lián)原理的尿素合成新工藝。通過(guò)自主研發(fā)穿透式流動(dòng)電解池與高效電催化劑，實(shí)現(xiàn)尿素合成產(chǎn)率突破3182.7 μg h-1 mgcat. -1，電耗較傳統(tǒng)工藝降低60%，成功構(gòu)建廢碳與廢氮協(xié)同轉(zhuǎn)化為高值尿素的綠色通道。
同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化零電耗自驅(qū)動(dòng)磷回收系統(tǒng)，通過(guò)進(jìn)水水質(zhì)解析、運(yùn)行模式優(yōu)化、非貴金屬催化劑研制、多技術(shù)耦合，系統(tǒng)的物質(zhì)利用效率提升約20%，運(yùn)行成本降低超過(guò)80%，磷回收率超過(guò)99%，回收產(chǎn)物的養(yǎng)分含量達(dá)到國(guó)家摻混肥料標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21633-2020)。
針對(duì)鉀資源回收痛點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)建立電位驅(qū)動(dòng)分離技術(shù)。通過(guò)開(kāi)發(fā)氧化還原態(tài)周期調(diào)節(jié)型電吸附材料和聚合物基離子價(jià)態(tài)分離膜，實(shí)現(xiàn)鉀離子相對(duì)鈣鎂離子2.5倍以上的選擇性分離，系統(tǒng)處理容量提升25%的同時(shí)能耗下降40%。
團(tuán)隊(duì)同步開(kāi)展低品位熱能回收研究，基于熱電化學(xué)電池技術(shù)構(gòu)建適用于生態(tài)廁所等分散場(chǎng)景的溫差產(chǎn)電系統(tǒng)，通過(guò)與尿液處理系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)廁所廢熱的低碳回收再利用。
基于上述技術(shù)，團(tuán)隊(duì)集成開(kāi)發(fā)雙極膜電滲析-中空纖維膜耦合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了尿液中氮、磷、鉀回收率分別達(dá)89%、96%、95%，并將其轉(zhuǎn)化為液態(tài)肥料和工業(yè)酸堿化學(xué)品。中試規(guī)模經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)顯示，該系統(tǒng)凈收益可達(dá)$19.90/m3尿液，為尿液全資源回收與零排放提供了經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)路徑。
該技術(shù)體系展現(xiàn)出顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：在偏遠(yuǎn)地區(qū)可構(gòu)建分散式處理站，將尿液就地轉(zhuǎn)化為緩釋肥和工業(yè)原料，減少污水處理負(fù)擔(dān)；在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可嵌入現(xiàn)有廢水處理系統(tǒng)，打造“污染治理-資源再生”協(xié)同模式；其模塊化設(shè)計(jì)更適用于太空基地等密閉環(huán)境，為長(zhǎng)期空間駐留建立“廢物-資源”閉環(huán)系統(tǒng)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《Water Research》、《Resources, Conservation & Recycling》和《Separation and Purification Technology》等環(huán)境領(lǐng)域權(quán)威學(xué)術(shù)期刊上，并申請(qǐng)/授權(quán)了相應(yīng)的發(fā)明專(zhuān)利。研究獲得了包括國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金、重慶市自然科學(xué)基金杰出青年基金、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作項(xiàng)目以及國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目在內(nèi)的多項(xiàng)課題資助。未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步拓展該技術(shù)在環(huán)境治理、綠色化工、深空探測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
多維度養(yǎng)分回收關(guān)鍵技術(shù)
尿液資源回收及多元應(yīng)用循環(huán)
