定向解吸驱动的营养物质分离技术，借助太阳能驱动的MCDI实现从MBR处理后的消化液中定向回收目标产物

《Water Research》：Directional Desorption-Driven Nutrient Fractionation Enables Product-Oriented Recovery from MBR-Treated Digestate by Solar-Powered MCDI

　　

曲玉新|黄丹丹|高在赫|卢寅|徐启勇

中国广东省深圳市南山区西丽大学城，北京大学深圳研究生院环境与能源学院，高效再生材料深圳工程实验室，邮编518055

摘要

从经过膜生物反应器处理的消化物中回收养分仍然具有挑战性，因为强烈的离子竞争限制了选择性分离，而下游产品形成对回收流的组成极为敏感。在此，我们开发了一种不对称膜电容去离子技术平台，通过分阶段定向解吸将选择性养分捕获转化为可控的养分分级。经过过氧化氢氧化的生物炭阴极能够在含氧碳位点实现NH₄⁺的可逆储存，而以生物炭为载体的ZnAl–NO₃层状双氢氧化物阳极则主要通过层间阴离子交换保留磷酸盐，且其含量较少且稳定性较高。在连续运行过程中，该系统在50次循环后仍保持稳定，NH₄⁺和磷酸盐的平均吸附容量分别为53.02 mg g^?1和37.32 mg g^?1，同时阳极中的Zn和Al的保留率均超过99%。两阶段定向解吸产生了富含NH₄⁺的第一阶段洗脱液和富含磷酸盐、钙含量较低的第二阶段洗脱液，磷酸盐的富集因子为16.40。这种可控的养分分级使得产物以鸟粪石为主，产率为92.7%，且没有检测到其他二次结晶相。生命周期评估表明，与传统的生物炭/电网供电方式相比，这种利用废弃物、光伏电池供电的方案可使GWP₁₀₀和AP分别降低32.7%和91.9%，而EP则主要受水和废水相关因素的影响。这些结果表明，电化学养分回收技术可以从单纯的离子去除发展到能够在复杂废水中实现可控、以产物为导向的养分回收。

引言

由于污染控制与资源安全的双重压力，从高强度废水中回收氮（N）和磷（P）变得越来越重要（Kurniawan等人，2025；Robles等人，2020）。对开采磷矿的持续依赖以及传统氨生产的高能耗和高碳排放进一步加剧了这一需求（Ganesapillai等人，2026；Mohamed等人，2024）。厌氧消化物是一个有潜力的回收目标，因为它含有较高浓度的氮和磷（Qu等人，2026a；Rizzioli等人，2025）。然而，即使经过膜生物反应器处理，所得滤液仍具有复杂的化学结构和较高的离子强度，这使得养分分离、浓缩以及下游产品合成成为相互关联的难题，而非独立的步骤（Merenda等人，2025；Qu等人，2025）。这一点对于鸟粪石的沉淀尤为重要，因为结晶选择性对基质成分极为敏感，尤其是钙、碱度以及竞争性离子的影响（Guan等人，2023；Yan等人，2025）。因此，关键问题不仅仅是能否从经膜生物反应器处理的消化物中去除氮和磷，更重要的是能否将它们分离成成分可控的回收流，以便直接用于下游肥料生产。

包括电容去离子技术、膜电容去离子技术以及相关的电池驱动系统在内的电化学分离技术，已成为有望用于养分回收的低电压技术平台（Askari等人，2024；Bian等人，2019）。然而，将这些技术从合成电解质应用到实际消化物中仍然面临困难，因为仅靠选择性电吸附并不能保证解吸流的成分适合下游产品合成（Bian等人，2020；Qu等人，2026b）。在高背景盐度条件下，非特异性共电吸附可能会稀释解吸流中的目标离子，尤其是当传统碳电极对NH₄⁺和磷酸盐物种（H_mPO₄^n?）的亲和力不足时（Gamaethiralalage等人，2021；Gao等人，2022）。含金属的复合材料可以提高养分亲和力，但在复杂水环境中反复循环时，这些活性相的稳定性尚未在长期循环测试中得到充分验证（Cuong等人，2024；Hong等人，2020）。与此同时，电化学回收的环境影响很大程度上取决于电力来源、材料投入以及产品替代假设。然而，这些因素很少在统一的产品层面进行评估（Lam等人，2022；Lam等人，2020）。这些局限性表明，要实现更具选择性的膜电容去离子技术，仅仅提高吸附能力或选择性是不够的。我们需要的是一种能够将选择性捕获转化为可控养分分级的同时，在实际循环条件下保持稳定，并在系统层面具有环境优势的回收框架。

我们假设，通过刻意结合界面存储的不对称性与分阶段定向解吸，可以建立起这样的框架，将膜生物反应器处理后的消化物中的选择性养分捕获转化为可控的养分分级。在这种框架下，再生过程不再产生混合洗脱液，而是生成成分差异化的回收流，更有利于下游产品的形成。为了验证这一假设，我们开发了一种不对称的、由太阳能驱动的膜电容去离子技术平台，以农业废弃物衍生的生物炭作为两种电极的导电骨架。阴极通过过氧化氢氧化处理，以提高对NH₄⁺的亲和力，而阳极则通过原位引入硝酸盐插层的ZnAl层状双氢氧化物，以增强对磷酸盐的保留能力。这种界面不对称性与两阶段解吸相结合，通过反向电压下的NaCl和NaCl/NaOH再生过程，依次将NH₄⁺和磷酸盐释放到不同的回收流中，以此检验是否可以将选择性捕获转化为成分差异化的回收流，用于下游鸟粪石的生成。同时，我们在实际的消化物条件下评估了该系统的循环稳定性，并以1千克回收的鸟粪石为功能单元，通过从摇篮到坟墓的生命周期评估，分析了这种分级回收方式的更广泛的环境影响。通过将界面不对称性、分阶段解吸以及下游产品生成整合在一个平台上，这项工作推动了电化学养分回收技术从选择性捕获向可控、以产物为导向的养分价值提升的发展。

章节摘录

复合材料的制备与电极的制备

在受控条件下（600 °C，10 °C min^?1，2小时，氮气氛围），对花生壳和稻壳进行热解处理，得到生物炭基底。随后，用过氧化氢（浓度为5 wt%，温度为60 °C，处理时间为40分钟，固液比为10 g L^?1）氧化这些碳材料，生成含氧官能团的生物炭（BC_ox），然后通过共沉淀-水热法在BC_ox上原位生长出硝酸盐插层的ZnAl层状双氢氧化物相，从而得到复合阳极

构建用于选择性养分捕获的互补界面载体

首先对碳骨架进行了筛选，以平衡离子可进入的孔隙结构与电子传输性能（见图S4和表S3）。在所有测试候选材料中，3:1比例的花生壳/稻壳生物炭（RP31）在孔隙率与导电性之间取得了最佳平衡，它具有较高的比表面积和比孔体积（S_BET = 1734.9 m² g^?1；V_total = 1.381 cm³ g^?1），同时电荷转移电阻也较低（R_ct = 0.23 Ω）。因此，选择RP31作为碳骨架。随后，用过氧化氢对其进行处理

结论

通过使用农业固体废弃物衍生的生物炭作为共同的电极骨架，不对称膜电容去离子技术实现了对膜生物反应器处理后的消化物中选择性养分的捕获，并将其转化为成分可控的回收流。在50次循环后，该电池对NH₄⁺和H_mPO₄^n?的吸附容量分别保持在53.02 ± 1.18 mg g^?1和37.32 ± 1.20 mg g^?1，而阳极中Zn和Al的保留率在含有LDH的阳极中分别达到了99.72%和99.09%。关键的分离过程发生在

CRediT作者贡献说明

曲玉新：撰写——初稿，数据整理，概念设计。黄丹丹：撰写——审阅与编辑，方法论研究。高在赫：项目管理，正式分析。卢寅：可视化处理，结果验证，数据整理。徐启勇：撰写——审阅与编辑，监督工作，项目管理，概念设计。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：22576006）以及由韩国教育部与济州特别自治省资助的济州RISE中心所开展的区域创新体系与教育（RISE）计划的支持（编号：2026-RISE-17-001）。