综述：城市再生水电解制氢：资源回收与碳中和协同发展的新路径

《Journal of Environmental Management》：Hydrogen production from urban reclaimed water electrolysis: A new path for synergistic development of resource recycling and carbon neutrality

　　

摘要

全球碳中和的追求与日益严峻的城市水危机，迫切需要对同时解决能源转型和水资源管理问题的创新方案。利用再生水（中水）进行电解制氢已成为水-能-气候交叉领域的一个极具前景的策略，但其技术可行性和实际应用性仍缺乏充分探索。本文通过考察进水水质特征、电解槽兼容性、催化剂稳定性、系统集成、全生命周期性能以及技术经济可行性，评估了再生水电解制氢的潜力。与淡水制氢相比，使用再生水可以减少对优质水资源的竞争，并推动污水处理厂向水-能综合回收枢纽转型。现有证据表明，在低碳电力供应条件下，再生水电解制氢的全生命周期碳排放可较电网供电的淡水制氢降低多达67%。然而，其当前制氢成本仍高出12-18%，主要源于额外的预处理、膜保护、催化剂降解和维护需求。主要技术制约来自氯离子、溶解性有机物、硬度离子、营养盐和痕量金属，它们可引发氯气析出、电极腐蚀、催化剂中毒、矿物结垢和膜污染等问题。耐污染物催化剂、选择性膜、混合预处理、微生物电解池以及氧气增值利用等最新进展为提高耐久性和资源效率提供了有前景的途径。未来部署需要制定针对电解制氢的进水水质标准、基于全生命周期的水和碳效益核算，以及与污水处理厂和可再生能源电力相集成的模块化系统。总体而言，再生水电解制氢是一条将城市水回用与制氢耦合的有前景但仍处于发展阶段的路径。

引言

三十年前，氢气被认定为"脱碳可持续能源系统中关键且不可或缺的要素"，以提供安全、经济且无污染的能量。氢气有望在低碳未来中发挥关键作用。作为零碳排放能源载体，氢气可以作为电力的补充，且具备储存和运输能力。此外，氢气可以通过减少对化石燃料的依赖来增强能源安全。其 versatility 使其可广泛应用于交通、供热、工业和电力等多个领域，这些领域合计占全球CO?排放量的三分之二（Squadrito et al., 2023）。因此，全球氢能经济预计将实现增长，氢能项目投资将达到数千亿美元（Staffell et al., 2019）。清洁氢能是为经济中难以脱碳的部门减少排放的极佳选择（Larson, 2020; Guo et al., 2023）。研究估计，到2050年，氢能可贡献全球年度减排量的20%以上（Larson, 2020）。当前H?市场主要由天然气和煤炭经蒸汽甲烷重整或气化产生的高碳强度H?主导。美国预计到2030年将年清洁H?产能提升至1000万吨。截至2022年底，全球已有超过30个国家制定了H?战略。其中，欧盟于2023年就工业和交通运输领域可再生H?的立法目标达成一致；中国在新型电解槽装机方面处于领先地位，2023年预计新增750兆瓦装机容量，叠加现有220兆瓦（Jiang et al., 2024）。

在众多绿氢路径中，电化学水分解因可利用丰富的可再生电力而受到高度关注（Jang et al., 2022; Jin et al., 2022; Zhou et al., 2022）。城市污水处理厂产生的再生水可能成为电解制氢的有前景水源，因其分布广泛，且相较于其他非常规水资源（如盐水、地下水和雨水）（Zeng et al., 2013），其水质更高、供应更稳定（China Energy Portal, 2021）。中国城市污水处理能力已达2.3×10? m3/天，而平均回用率不足20%；而世界上再生水利用率最高的以色列，2015年的再生水利用率达80%（Hu, 2021）。因此，污水处理厂再生水在绿氢生产方面具有巨大潜力。用再生水替代传统水源制氢可实现双重减碳协同效应（Wang et al., 2019）。一方面，再生水利用本身是典型的资源回收行为，其碳足迹显著低于地下水开采或远距离调水；另一方面，当可再生水制氢与可再生能源电力结合时，全产业链的温室气体排放可趋近于零，为城市建设"氢-水循环耦合系统"提供了切实可行的路径（Liu and Yang, 2021）。该模式不仅能提升城市碳封存能力，还能推动污水处理厂从单纯的污染治理设施向能源与资源回收枢纽转型，促进城市基础设施功能升级（Jiang et al., 2024）。

然而，尽管再生水在缓解水短缺问题方面作用显著，但在用于电解制氢过程中，其中含有的病原体、内分泌干扰物（EDC）、药品残留、个人护理产品（PCP）和有机化合物等污染物可能产生不利影响（Luo et al., 2014; Ganiyu et al., 2015; Ahmed et al., 2017）。再生水中大量溶解性盐类（如Cl?、SO?2?、Ca2?、Mg2?等）会在电解过程中引发一系列副反应，例如高浓度Cl?会导致氯气析出副反应（2Cl? → Cl?↑ + 2e?），降低电流效率并腐蚀金属电极（Ding et al., 2014）。水中的重金属（如Cu2?、Pb2?等）容易在电解过程中沉积于催化剂表面，覆盖Pt/IrO?等贵金属催化剂的活性位点。再生水中的溶解性有机物（DOM）在光催化制氢过程中与催化剂（如TiO?）竞争光吸收，降低光子利用效率，并穿透PEM电解槽中的膜结构，导致质子传导率下降（Krasner et al., 2009）。此外，水中的微生物和各种代谢产物会导致碱性电解槽隔膜表面生物膜生长，增加欧姆阻抗；某些细菌如硫酸盐还原菌的代谢产物H?S容易引起电解槽内硫中毒（Zhang et al., 2024）。

在全球应对碳中和与城市水短缺双重挑战的背景下，利用再生水生产绿氢作为一种协同解决方案展现出巨大潜力（X. Wang et al., 2023）。然而，现有研究对再生水制氢的评估仍然较为零散，缺乏与传统水和化石燃料制氢路径的系统性对比。此外，再生水水质波动对催化剂性能、反应器构型和电解质管理的影响尚未充分整合到统一的工程框架中。大规模实施所涉及的经济、环境和系统层面权衡也仍未得到充分解决（Deng et al., 2024a）。为弥补这些空白，本综述从战略定位、催化剂与反应器设计、电解质管理和实际实施障碍等角度综合了再生水制氢领域的最新进展。研究采用结构化文献筛选和叙述性对比综述方法。通过组合检索关键词（包括再生水、废水、水电解、制氢、电解槽、催化剂、反应器、电解质等），识别相关文献。检索到的文献首先按标题和摘要进行初步筛选，随后进行全文评估以排除与再生水或废水制氢不直接相关的研究。优先考虑近期同行评审研究，同时保留具有代表性的早期研究以提供必要的技术背景并追踪关键技术发展。所选文献按制氢路径、再生水水质特征、催化剂与反应器设计、电解质管理、经济表现和环境影响进行分类。随后进行对比性叙述分析，以识别技术优势、局限性、知识空白和实际实施障碍。

部分片段

制氢路径对比分析

制氢技术涵盖从成熟的化石燃料基工艺到新兴可再生路径的广泛领域。其中，城市再生水作为一种有前景的原料因其丰富性和协同资源回收潜力而脱颖而出（表1）。目前，化石燃料基方法占据主导地位，蒸汽甲烷重整（SMR）约占全球产量的99%（Islam et al., 2025），其利用了已有的基础设施。

基于再生水的制氢反应器设计与工艺构型

城市再生水制氢本质上是通过电化学、生物或光化学途径，将水分子和残余有机污染物中储存的化学能转化为清洁氢能。其技术领域涵盖三条主要转化路线：水电解，通过施加外部电能直接分解水分子；微生物电解池（MECs），利用产电微生物降解有机物同时

当前挑战与未来展望

在讨论当前挑战与未来前景之前，近期的中试和示范规模为再生水制氢提供了重要的工程基础。在中国，上海白龙港污水处理厂于2023年启动了一项将光伏驱动再生水电解制氢、沼气制氢、固态储氢和燃料电池热电联产相结合的中试项目（Cassol et al., 2024）。西班牙Canal Isabel II

结论

城市再生水为制氢提供了一种有前景的替代原料，在淡水节约、废水资源回收和可再生能源集成方面同时具备多重效益。然而，其应用受到复杂且波动的水质制约。氯离子、溶解性有机物、重金属和微生物可导致催化剂中毒、电极腐蚀、膜污染和电解性能不稳定等问题。近期进展

CRediT作者贡献声明

Qinwen Qian：撰写——初稿，资源获取，方法论，形式分析，数据管理，概念化。Pengliang Sun：资源获取，方法论，形式分析，概念化。Jialing Zhang：验证，软件，资源获取，数据管理。Yang Wu：资源获取，方法论，形式分析，数据管理。Min Long：资源获取，调查研究，数据管理。Qingran Zhang：验证，软件，形式分析，数据管理。Xiong Zheng：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（52470057）资助。

Qinwen Qian | Pengliang Sun | Jialing Zhang | Yang Wu | Min Long | Qingran Zhang | Xiong Zheng | Yonghua Liu | Yinguang Chen

同济大学环境科学与工程学院，水污染控制与绿色资源循环国家重点实验室，上海，中国，200092