南科大环境学院雷洋团队创新构建菱镁矿辅助电化学系统推动废水资源回收

近日，南方科技大学环境科学与工程学院助理教授雷洋团队在Environmental Science & Technology Letters发表了题为“Magnesite-Assisted Electrochemical System for Enhanced Nutrient Recovery: Comparative Evaluation in a Wastewater Co-Treatment Scheme”的研究论文，并被选为当期Supplementary Cover。该研究聚焦于以鸟粪石形式回收废水中的氮磷，创新性地构建了菱镁矿辅助电化学系统，解决了传统化学沉淀和镁电凝聚工艺存在的诸多缺陷。此外，该研究提出污水共处理的全新概念，并证实其能够显著减少处理成本与碳排放，为可持续废水管理提供了新思路。

氮（N）和磷（P）是保障粮食安全和工业发展的关键，但其不合理的管理正导致水体富营养化与资源浪费。针对这一痛点，研究团队提出了一类菱镁矿辅助电化学系统，该系统采用惰性阳极通过水氧化反应生成H+分解菱镁矿，从而提供低成本镁源，同时有效避免阳极钝化问题；阴极则通过水还原生成OH-，促进高纯度鸟粪石在阴极表面结晶，实现高效的氮磷回收（图1a-c）。与传统化学沉淀法相比，菱镁矿辅助电化学系统生成的鸟粪石以致密固体形式沉积在阴极（图1f），避免了化学沉淀法中污泥沉降性差、后续处理复杂的问题。化学沉淀法在最适条件下生成沉降性能差的污泥，仍需进一步浓缩、脱水和干燥处理，不仅成本高昂，能耗也极大。

图1 不同电流密度下菱镁矿辅助电化学系统中（a）NH₄+与（b）PO₄^3-变化；（c）不同电流密度下鸟粪石产物的XRD图谱；处理前（d）后（e）废水；阴极（f）与网兜状阳极（g）；(h) 体系中NH₄+和PO₄^3-质量平衡；29.6 A/m2下废水处理前（i）后（j）EEM光谱；（k）不同电流密度下TOC去除性能。

研究团队提出的菱镁矿辅助电化学系统通过在阳极区域保持低 pH 环境，使系统运行稳定且无电压骤升现象，有效规避了镁电凝聚法中鸟粪石在阳极、阴极和溶液本体中沉积导致收集过程复杂，以及在高电流密度下易发生阳极钝化的问题。该系统生成的鸟粪石仅沉积于阴极，收集简便，进一步提升了资源回收效率。此外，该系统还具备电氯化氧化能力，能够在同一时间有效去除废水中的多类有机污染物（图1i-j）。

图2 (a) 废水分开及共处理情况的系统边界；(b) 两种情景下的全球变暖潜势；（c）两种场景下的富营养化潜势。

除了技术上的革新，研究团队还提出了富氮、富磷废水共处理的全新策略。通过生命周期评估（图2）和技术经济分析，团队验证了菱镁矿辅助电化学系统在共处理策略中具备显著的环境与经济优势。

南方科技大学为论文第一通讯单位，南方科技大学环境科学与工程学院2022级博士研究生詹铮铄为论文第一作者，助理教授雷洋为通讯作者，课题组成员罗家钰为研究做出重要贡献。南方科技大学讲席教授刘崇炫、西安交通大学副教授王俊淇为论文共同作者。该研究得到了深圳市科技计划项目、广东省基础与应用基础研究基金、广东省引进创新创业团队计划、深圳市城市环境健康风险精密测量与预警技术重点实验室以及高水平专项基金的联合资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.estlett.4c00808