南科大环境学院雷洋团队：电化学生物壳高值化构建固废处置、污水治理与资源回收一体化新策略

南科大环境学院雷洋团队：电化学生物壳高值化构建固废处置、污水治理与资源回收一体化新策略

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发表了题为“Electrochemical Upcycling of Shell Waste for Sustainable Nutrient Recovery from Wastewater”的研究论文。该研究提出一种创新的电化学策略，通过高值化废弃生物壳，实现污水中的氮磷资源化。此外，研究团队设计并搭建了适用于家庭场景的中试装置，用于废弃生物壳高值化与尿液磷肥生产，显著降低了处理成本与碳排放，为可持续固废处置与污水治理提供了新思路。

全球人口增长推动氮磷肥料需求持续上升，同时也加剧了食品加工副产物（如各类生物壳）排放与水体氮磷污染的双重挑战。研究团队提出了一种电化学策略，通过高值化废弃生物壳实现污水中的氮磷回收，以综合应对上述挑战。

图 1 （a）阴极诱导氮磷沉淀反应机理图；（b）热力学模拟；（c-d）电流密度（c）及壳类破碎程度（d）于磷回收率及比能耗的影响；（e）磷酸钙产物的拉曼光谱；（f-g）蜗牛壳高值化过程中磷（f）及氮（g）浓度变化；（h）鸟粪石产物XRD图谱（i-j）不同污水N/P比下回收产物成分分析。

该策略的核心在于阳极的水氧化反应生成H+，形成局部酸性环境，驱动废弃生物壳的分解。以牡蛎壳为例，其分解后释放的钙离子（Ca2+），耦合阴极产生的局部碱性环境，促使污水中的磷酸根（PO43-）以磷酸钙的形式结晶回收（图1a-e）。在此框架下，特定含镁生物壳（如蜗牛壳）可通过释放自身含有的镁离子（Mg2+），进一步实现了磷酸根（PO43-）与铵根（NH4+）以鸟粪石（MgNH4PO4）的形式共回收（图1f-j）。在资源回收的基础上，团队发现并证实，该高值化过程通过构建高浓度Ca2+/Mg2+及高碱度环境，展现出额外的二氧化碳捕获能力。

图2 (a) 家庭式中试装置；(b) “生物壳回用-尿液处理-肥料回收”的家庭式模式示意图；（c-d）30天运行期间的磷回收性能（c）及pH变化（d）；（e）现存尿液磷回收工作的归一化运行成本对比。

为验证该策略的实际应用潜力，研究团队设计并构建了中试装置，用于家庭场景下的生物壳高值化及尿液氮磷资源化（图2a-b）。该装置表现出稳定且优异的磷回收性能（1.0 kW h/m3，磷回收率>85.7%）（图2c-e），且回收产物具有高磷含量（13.1 wt%）及高生物可利用性（93.3%），符合肥料回用标准。这一“生物壳回用-尿液处理-肥料回收”的家庭式创新模式，已被证实能够带来显著的碳减排及经济效益。

南方科技大学为论文第一和通讯单位，环境科学与工程学院博士研究生詹铮铄为第一作者，雷洋为通讯作者，课题组成员罗家钰与李炜权为研究做出了重要贡献。合作者包括南方科技大学讲席教授刘崇炫，欧洲水研究中心（Wetsus）研究员Michel Saakes，瓦赫宁根大学博士刘霁瑶、Renata D. van der Weijden教授和Cees Buisman院士。该研究得到了广东省基础与应用基础研究基金、深圳市科技计划项目以及高水平专项资金的联合资助。

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https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.5c09352