综述：废水作为资源：评估光依赖与光独立方法在可持续制氢中的挑战与未来方向

这篇综述系统探讨了利用废水生产氢气的7种新兴技术，涵盖光依赖型（如光催化、光发酵）和光独立型（如微生物电解池、暗发酵）方法，重点分析了反应机制、关键参数（pH、催化剂剂量、光子通量）、技术经济性及全球脱碳潜力，为环境工程与清洁能源领域提供了重要参考。

　　

废水作为氢能资源的潜力

随着全球84%的能源供应仍依赖化石燃料，温室气体排放问题日益严峻。氢能因其122 kJ/g的高能量密度和零碳排放特性，成为最具潜力的替代能源。到2050年，绿氢预计将满足全球24%的能源需求。然而传统制氢方法能耗高且依赖化石燃料，而利用废水作为原料可实现"变废为宝"——全球每年产生的1000 km3废水中蕴含17.8-28.7 kJ/g COD的能量，是水处理所需能量的3-4倍。

废水类型与预处理

废水主要分为生活污水、农业废水和工业废水三类。工业废水（如乳制品、石化、造纸废水）因含复杂有机物和抑制剂，需通过物理、化学或生物法预处理。例如热冲击处理可消除耗氢的产甲烷菌，微波预处理能提高乳清废水产氢率15.02 mL/g TCOD。

光依赖型技术进展

光催化技术通过半导体（如g-C₃N₄、KNbO₃）在光照下产生电子-空穴对，实现污染物降解与产氢同步进行。碳量子点(CQD)修饰的催化剂可将可见光转化为紫外光，使产氢速率达468.72 μmol g^-1 h^-1。关键参数包括pH（3-4最佳）、催化剂剂量（过量会阻塞活性位点）和温度（45-55°C最优）。

光发酵利用紫色非硫细菌（如Rhodobacter sphaeroides）在厌氧条件下转化有机物，氮化酶在缺氮环境时转向产氢。两阶段暗-光发酵联用可使产氢率达51.2 mmol/L h^-1，较单阶段提升3倍。

光独立型技术突破

微生物电解池(MEC)通过电活性菌（如Geobacter sulfurreducens）氧化有机物，在0.2V外加电压下产氢。采用Ni泡沫TiO₂阴极时，产氢量达68 mL，但需控制甲烷菌干扰。

暗发酵中Clostridium菌株通过[Fe-Fe]-氢化酶在pH5-7、HRT 8h条件下，从乳清废水获得2 mol H₂/mol葡萄糖的产量。添加Fe修饰生物炭可使产氢效率提升31.19%。

经济性与挑战

虽然光催化STH效率已达3-5%，但规模化应用仍受制于催化剂成本（如Pt/g-C₃N₄）和反应器设计。MEC的氢气生产成本需降至1.8 /kg才具竞争力，而反向电渗析技术因离子膜价格高昂（180/kg H₂）尚未商业化。

未来需通过基因工程改造菌株（如敲除hyaB基因增强E. coli产氢141倍）、开发非贵金属催化剂（如MoS₂/ZnIn₂S₄）和优化反应器设计（如流体化床反应器）来突破技术瓶颈，实现废水制氢的工业化应用。