新加坡南洋理工大学的科学家开发出了一种突破性的太阳能工艺，可以将污水处理的副产品污水污泥转化为绿色氢，用于清洁能源、提取单细胞蛋白以及制造动物饲料。这种创新的污泥转化为食物和燃料的方法发表在《自然水》杂志上，解决了两个关键的全球挑战：废物管理和可持续资源生产。这也符合南洋理工大学致力于解决气候变化和环境可持续性等重大问题的承诺。
利用南洋理工大学研究团队提出的方法，从污水污泥中提取出可用于动物饲料的单细胞蛋白。图片来源：南洋理工大学
据联合国估计，到 2050 年，全球城市人口预计将增加 25 亿。快速的城市化加上工业扩张将导致污水污泥产量大幅增加。由于污泥成分复杂，包括重金属、病原体和其他污染物，管理这些污泥尤其具有挑战性。
据联合国人居署统计，全球每年产生超过1亿吨污水污泥，且数量逐年增加。然而，焚烧或填埋等常见处理方法既耗时又耗能，还会造成环境污染。
为了解决不必要且难以处理的污水污泥问题，南洋理工大学的研究人员创建了一种集成机械、化学和生物技术的三步太阳能工艺。
(LR) 利用太阳能将污水污泥转化为绿色氢气和动物饲料的 NTU 研究团队包括机械与航空航天工程学院 (MAE) 和 NTU 能源研究所 (ERI@N) 的李宏副教授、土木与环境工程学院 (CEE) 和南洋环境与水研究所 (NEWRI) 的周岩教授，以及 MAE 学院研究员赵虎博士。图片来源：新加坡南洋理工大学
概念验证测试表明，南洋理工大学团队的工艺比厌氧消化等传统技术更高效。厌氧消化利用细菌分解有机废物，产生沼气和营养丰富的残渣。该工艺可回收更多资源，完全去除重金属污染物，对环境的影响更小，经济可行性更高。
首席研究员、南洋理工大学机械与航空航天工程学院 (MAE) 和南洋理工大学能源研究所 (ERI@N) 副教授李宏表示：“我们的方法将废物转化为宝贵的资源，在创造可再生能源和可持续食品的同时减少环境破坏。这体现了循环经济，并为更绿色的未来做出了贡献。”
联合首席研究员、南洋理工大学土木与环境工程学院 (CEE) 和南洋环境与水资源研究所 (NEWRI) 的周岩教授表示：“我们的太阳能工艺展示了我们如何同时应对多项挑战，将难以处理的废弃物转化为清洁能源和营养蛋白质。通过整合机械、化学和生物方法，我们的方法成功解决了污染和资源短缺问题，为废水管理提供了一种新的可持续战略。”
该过程首先会用机械方法分解污水污泥，然后通过化学处理将有害重金属从有机物质（包括蛋白质和碳水化合物）中分离出来。
接下来，太阳能电化学过程使用专门的电极将有机材料转化为有价值的产品，例如食品和制药行业的关键成分乙酸和清洁能源氢气。
最后，将光激活细菌引入经过处理的液体流中。这些细菌将营养物质转化为适合动物饲料的单细胞蛋白质。
实验室测试表明，新方法可回收污泥中 91.4% 的有机碳，并将 63% 的有机碳转化为单细胞蛋白质，且不会产生有害副产品。相比之下，传统的厌氧消化通常只能回收和转化污泥中约 50% 的有机物质。
太阳能发电过程的能源效率达到 10%，利用阳光每小时可产生多达 13 升的氢气，比传统的氢气生成方法能源效率高出约 10%。
与传统方法相比，NTU 工艺可减少 99.5% 的碳排放和 99.3% 的能源消耗。该工艺还可去除污泥中的有害重金属，否则污泥将未经适当处理就被丢弃，因此该工艺是一种环保选择。
第一作者、莫斯科国立工程学院研究员赵虎博士表示：“我们希望我们提出的方法能够展示可持续管理废物的可行性，并改变人们对污水污泥的看法——从废物转变为支持清洁能源和可持续粮食生产的宝贵资源。”
NTU 研究团队补充说，虽然新开发的工艺很有前景，但还需要进行更多研究来确定是否可以扩大规模。一个关键挑战是使用电化学工艺完全分解有机物并从废物中提取所有重金属的成本。此外，为废水处理设施设计一个复杂的系统也增加了难度。
编译自/ScitechDaily
