《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Emerging technologies for biohydrogen production from wastewater: A comprehensive review
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摘要全球能源消耗的快速增长使得寻找和开发清洁、可持续的能源来源以应对气候变化变得极为紧迫。废水通常被视为一种有问题的副产品，但实际上它是生产生物氢的重要资源，因为其所含能量是处理所需能量的四到五倍。本研究探讨并分析了从废水中生产生物氢的各种技术的潜力，这些技术可归纳为三类：（i）
摘要
全球能源消耗的快速增长使得寻找和开发清洁、可持续的能源来源以应对气候变化变得极为紧迫。废水通常被视为一种有问题的副产品，但实际上它是生产生物氢的重要资源，因为其所含能量是处理所需能量的四到五倍。本研究探讨并分析了从废水中生产生物氢的各种技术的潜力，这些技术可归纳为三类：（i）生物过程，包括黑暗发酵、光发酵、生物光解以及厌氧膜生物反应器；（ii）电化学过程，如电凝聚、电催化、微生物电解池、微生物光电化学电池以及电化学氧化；（iii）高级氧化过程，包括光催化和光电催化。
这些方法有助于部分回收资源，同时能将化学需氧量降低至少45%。在所评估的技术中，微生物电解池因其模块化设计、较高的水力性能（使用合成废水时，每升水每天可产生3.6–7.9升氢气），以及能够去除高达80%的化学需氧量的能力，而被视为最具前景的解决方案。从生态和可持续发展的角度而言，通过废水处理来生成生物氢是一种减少二氧化碳排放、推动向清洁能源系统转型的有效策略。不过，要充分发挥生物氢作为全球减碳举措重要组成部分的潜力，仍需持续投入研发力量以克服现有挑战。
引言
当前全球面临着诸多严峻挑战，包括自然资源枯竭和环境破坏，而由于经济和人口增长，能源需求仍在不断上升。根据国际能源署的预测，到2040年，这一需求将以每年1.3%的速度增长，其主要目的是满足日益增长的能源服务需求。
在这种背景下，有两项任务亟需解决：发展可再生能源以及减少温室气体排放。政府间气候变化专门委员会强调，必须大幅削减二氧化碳排放，才能将气候变化的程度控制在可接受的范围内。如果不立即采取行动，到本世纪末全球气温可能上升超过2.7摄氏度，目前已出现诸多明显后果，比如2000年至2021年间与热浪相关的死亡人数增加了68%。
面对这些挑战，能源领域的创新显得尤为重要。在各种新兴解决方案中，从废水中生产生物氢因其巨大潜力而备受关注。目前，水的处理和分配占全球能源消耗的3%至5%，而废水的能量价值相当可观，每克化学需氧量对应的能量值在17.8至28.7千焦之间。在平均溶解有机碳去除效率约为91%的情况下，每去除1毫克化学需氧量最多可产生0.0125毫克氢气，即净氢气产率为8%。通过生产生物氢来回收这些能量具有双重好处：既能充分利用丰富且廉价的资源，又能减少温室气体排放。废水的能量回收潜力很大，每克化学需氧量对应的能量值在17至28.7千焦之间。生产生物氢同样具有双重优势：它利用了丰富且成本较低的资源，同时有助于减少温室气体排放。
氢气目前被视为向低碳能源系统过渡的关键能源载体。由于其高能量密度（120–142兆焦/千克），并且到2030年其生产成本有望降至2.50美元/千克，因此到2050年氢气可能占据全球能源需求的8%至18%。然而，目前主流的氢气生产方法大多依赖化石燃料，不仅能耗极高，还会产生大量二氧化碳排放。
与其他清洁能源技术相比，基于废水的生物氢生产兼具废水处理和可再生能源回收的双重优势。不同于传统的水电解法，它以有机污染物作为能源来源，同时还能降低化学需氧量。此外，该技术还符合循环经济理念，能够将废物转化为清洁能源，从而助力减少温室气体排放。
已有多篇综述文章总结了基于废水的生物氢生产技术，其中包括Islam等人的研究、Merabet等人的研究以及Silva等人的研究。这些综述大大提升了人们对从废水中通过生物和电化学方法生产氢气的理解。不过，近几年来，尤其是2024年至2026年间，相关领域取得了飞速进展，因此有必要对这一领域进行更全面、更最新的评估。与以往的综述不同，本文对用于同步实现废水处理和生物氢生产的生物、电化学以及高级氧化技术进行了系统且深入的比较。此外，本文还涵盖了微生物电解池、微生物光电化学电池、废水辅助电催化、先进光催化系统以及混合型可再生能源驱动的氢气生产等方面的最新发展。同时，本文还运用关键绩效指标对这些技术进行了对比，这些指标包括氢气产量、能源需求、污染物去除效率、反应器结构、运行难题、技术成熟度以及可扩展性等。最后，本文指出了当前的研究空白，探讨了技术经济和环境方面的问题，并提出了未来研究方向以及实现基于废水的生物氢生产技术实际应用所需达到的性能标准。
章节要点
用于从废水处理中生产生物氢的技术
在全球范围内，大约80%的来自家庭、商业机构、工业活动、畜牧业和农业的废水未经处理就被排放。这类水中含有大量有机和无机物质，其中一些还具有危害性且难以分解。目前，大多数废水处理仍采用化学混凝以及好氧和厌氧处理等传统方法。然而，这些技术无法完全消除所有有害物质。
用于基于废水处理生产生物氢的新兴技术对比
表1展示了使用不同基于废水的技术所获得的氢气生产性能的对比情况，第4节将对这些数据进行分析。（见表2。）
生物氢生产技术的对比评估
表1汇总并对比了各类用于基于废水生产生物氢的主要技术的氢气生产性能。尽管不同研究中的废水成分和反应器结构差异较大，但总体性能趋势仍较为清晰。通过对比所分析的各种技术，微生物电解池的氢气生产效率似乎最高且最为稳定，在特定条件下其氢气产量可高达3.12立方米/立方米·天。
从废水处理中生产氢气所面临的挑战
得益于多种技术的存在，从废水处理中生产生物氢为替代传统能源提供了一种极具前景的途径。氢气是水分解的唯一产物，可能在减少温室气体排放方面发挥关键作用。然而，要将氢气发展为一种可靠、低成本且可大规模应用的可再生能源，仍需克服多项技术和经济上的挑战。在目前已开发出的各种方法中……
结论
鉴于其高能量密度和极小的环境影响，氢气目前被视为一种极具前景的能源载体，尤其是当它来自废水和太阳能等可再生、可持续的能源来源时。本文概述了用于同步实现废水处理和氢气生产的生物、电化学以及高级氧化工艺。同时，本文特别重点介绍了从废水中利用太阳能生产氢气的技术。
作者贡献说明
Fatima ezzahra Al Azhari：撰写初稿。Issam Bekki：负责审阅与编辑。Nour-eddine Touach：负责方法设计。El Mostapha Lotfi：负责实验研究。
未引用参考文献
[39], [40], [41], [50], [51], [52], [53]
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关联。
Fatima ezzahra Al Azhari|Issam Bekki|Nour-eddine Touach|El Mostapha Lotfi
