双极膜电渗析强化粪污处理中的养分分离：可持续农业的绿色解决方案

为解决粪污处理中氮(N)和钾(K)分离的难题，研究人员采用双极膜电渗析(BMED)结合反渗透(RO)技术，实现了NH4+/NH3高效转化与养分回收。实验证明，BMED可持续原位生产OH-和H+，替代传统酸碱添加，减少运输与稀释成本，为农业循环经济提供创新路径。

　　

研究背景与意义
粪污处理是农业可持续发展的核心挑战之一。欧盟环境法规要求减少氮排放和养分流失，但传统粪污分离技术面临瓶颈：氮(NH₄⁺)和钾(K⁺)因电荷与尺寸相似难以通过膜过滤有效分离。现有方法依赖外部添加强酸强碱，不仅成本高，还会稀释养分浓度。更棘手的是，运输和储存腐蚀性化学品存在安全与环境风险。如何实现高效、低碳的养分分离？荷兰研究团队提出了一种颠覆性方案——将双极膜电渗析(BMED)与反渗透(RO)技术联用，通过电化学原位生产OH^-和H⁺，直接调控NH₄⁺/NH₃平衡，相关成果发表于《Environmental Technology》。

关键技术方法
研究采用三室BMED系统（含双极膜、阴/阳离子交换膜），以Na₂SO₄为电解液，对比了人工模拟溶液与真实粪污消化液的性能。通过监测pH、离子色谱分析NH₄⁺/NH₃转化率，计算电流效率与能耗。关键参数包括电流密度（1-10 mA/cm²）和线性流速（1 cm/s）。

研究结果

1. 模型系统中的酸碱生产
BMED在NaCl溶液中表现出稳定的OH^-/H⁺生产率（0.5 mmol/min），电流效率达73-98%。高电流密度下（10 mA/cm²），能耗为125 Wh/mol，虽高于工业级系统，但通过规模化可降低50%以上。

2. 人工饲料的集成系统性能
将BMED与RO流程耦合后，碱室（pH升至10）中85%的NH₄⁺转化为NH₃，酸室（pH降至2）则完全转化为NH₄⁺。NH₃跨膜扩散速率为6 g/h·m²，印证了BMED-RO协同增效的可行性。

3. 真实粪污的挑战与应对
真实粪污消化液因含有机质、碳酸盐等杂质，OH^-有效利用率仅40%（人工体系为80%）。但过剩的H⁺可转化为副产品盐酸，用于膜清洗或气体净化，实现资源化利用。

结论与展望
该研究证实BMED-RO联用能绿色高效地分离粪污中的N/K，规避传统酸碱的运输与稀释问题。尽管真实粪污存在基质效应，但通过分段生产（如交替处理N富集液与生产HCl）可优化系统经济性。未来结合可再生能源供电，该技术有望成为“粪污至肥料”闭环的核心工艺，助力欧盟RENURE（粪污回收氮）战略的实施。