综述：从废水中生产氢气：技术成熟度、经济与环境评估以及扩大生产规模的挑战及应对策略

《Fuel》：Hydrogen production from wastewater: technology readiness, economic and environmental assessment, and scale-up challenges with mitigation strategies

本研究系统评估了不同废水来源的产氢潜力，指出工业废水氢产量最高（达5200 mL/kg COD），但生产成本显著高于传统方法。同时分析技术成熟度、经济性及环境影响，提出政策支持与技术创新建议。

　　

梁Y.Y. | 莎哈布丁M.

马来西亚彭亨苏丹阿卜杜拉大学化学与过程工程技术学院，Tun Khalil Yaakob大道26300号，Kuantan，彭亨，马来西亚

摘要

从废水中生产氢气有助于满足对清洁能源日益增长的需求。本综述表明，所产生的氢气量取决于废水的类型。研究还指出，工业废水的潜力高于市政或家庭废水。研究表明，从废水中生产氢气的成本至少是传统方法的三倍。电力排放显著影响生命周期评估（LCA）的结果，而在技术经济分析（TEA）中，堆栈成本和降解问题更为突出。基于废水的氢气生产技术从概念验证阶段发展到接近工业化应用阶段，其中水相重整（APR）和水热液化（HTL）技术最为先进，但仍面临放大生产的挑战。最后，我们提出了将废水整合到氢能系统中的政策建议和展望。

引言

环境催化作为一种同时生产清洁能源和减少污染的方法已经得到重视[1]、[2]。在新兴的清洁能源载体中，氢气因其高能量密度和零碳排放特性[3]、[4]以及在难以脱碳的领域（如海上运输）中的重要作用而脱颖而出[5]。技术经济分析表明，利用太阳能和风能等可再生能源生产绿色氢气的成本到2050年可降至3.45美元/千克[6]。为了使氢能技术成功规模化，改进高压储氢、金属氢化物和碳基储氢系统的性能至关重要[7]。 然而，该领域仍然存在碎片化现象[8]、[9]。目前关于从废水中生产绿色氢气的综述缺乏基于关键性能参数对不同废水类型进行综合比较的分析（见表1），也很少提供各技术的技术成熟度评估（TRL），或评估技术及制度上的规模化与商业化障碍。尽管有一些技术经济方面的讨论[10]，但氢气的平准化成本（LCOH）问题尚未得到充分探讨。此外，现有的综述也没有进行综合生命周期评估（LCA）来衡量不同技术之间的环境效益平衡。 本文通过系统评估多种废水来源、评估相关技术的成熟度以及进行深入的技术经济和环境分析来填补这些空白。同时，还指出了规模化生产过程中遇到的挑战，如高成本、技术限制、基础设施不足和数据缺乏等问题。最后，本文提出了促进氢能产业应用的政策建议和展望。

废水类别概述及案例研究：市政废水、工业废水、农业废水和家庭废水

仅用单一指标对不同废水类型的氢气生产潜力进行简单排序是不够的。实际上，每种废水类型（见图1）都需要根据特定的氢气生产方法的相关因素进行评估，例如有机含量、导电性、营养成分以及抑制性物质的存在等。如表2所示，市政废水的有机含量较低[16]，而工业废水则...

氢气的平准化成本（LCOH）

平准化成本（LCOH）是评估技术经济性能的重要指标。它代表了整个系统生命周期内生产1千克氢气的平均总成本，包括资本成本、运营成本、能源成本和效率成本。因此，这是一个标准化的指标，可用于比较不同的氢气生产方法，帮助决策者和投资者评估氢气的竞争力。然而，只有少数研究报告了LCOH数值（见表4）。

生命周期评估（LCA）与环境可持续性

生命周期评估（LCA）是评估系统可持续性的重要工具[49]、[50]。将废水处理与氢气生产相结合可以带来显著的环境效益，包括提高资源回收率、减少对淡水的需求以及促进循环经济[51]。然而，这也带来了一些挑战，需要加以解决才能实现最大程度的可持续性。废水处理过程中使用催化剂和金属浸出过程可能导致环境毒性[52]。

技术成熟度（TRL）与可扩展性

值得注意的是，金属氢化物（MECs）的成本约为活性污泥系统的248倍。其中，阳极材料的成本占比约为70%，要实现盈利需要降低成本90%[93]。此外，这些技术还存在能量损失、抗性问题和生物污染问题[94]。其他技术也有各自的挑战：1）水相重整（APR）需要更好的热回收[38]；2）光催化技术的光转化效率低且催化剂回收成本高[95]；3）电渗析（ED）技术需要膜材料的耐久性和气体分离效率...

规模化生产挑战与应对策略

应对规模化生产挑战需要采取降低成本、提高效率、与废水处理系统整合以及应用先进建模和监测策略。关键问题及其解决方案以及相关证据在表8中进行了总结。

政策建议与未来展望

政策应支持利用可再生能源进行废水处理以实现可持续的氢气生产，并鼓励电化学和生物方法的创新。为了扩大氢气生产的规模，可以考虑以下几项政策：

• •
  激励和资助研发（R&D）工作，以加速水热液化（HTL）用于生物油生产、金属氢化物（MECs）用于生物氢气生产、水相重整（APR）以及先进异质催化剂等技术的发展和规模化。

结论

本综述涵盖了所有类型的废水来源，评估了相关技术的成熟度、技术经济可行性以及环境影响。主要结论如下：

• •
  工业废水具有最高的氢气产率，据报道酵母废水的产率可达5200 mL H₂/g COD。
• •
  热催化甲烷分解、电磁甲烷裂解和尿素电解方法在效率和成本方面更具优势。

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梁Y.Y.：项目管理、方法论制定、研究实施、资金筹措、数据分析、概念构思、撰写——审稿与编辑、初稿撰写。 莎哈布丁M.：方法论制定、研究实施、数据分析、概念构思、撰写——审稿与编辑。

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作者声明没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。

致谢

通讯作者感谢马来西亚彭亨苏丹阿卜杜拉大学在内部研究项目RDU2203106下的财政支持。