近日，水利與環(huán)境學(xué)院趙艷俠教授課題組在環(huán)境領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Water Research》上發(fā)表了題為“Co-fermentation of titanium-flocculated-sludge with food waste towards simultaneous water purification and resource recovery”的學(xué)術(shù)論文。2021級(jí)碩士研究生杜津銘為第一作者，導(dǎo)師趙艷俠教授為該論文的通訊作者。

圖 1  C、Ti和P資源同步回收的測(cè)流厭氧發(fā)酵系統(tǒng)

追求碳中和與迫在眉睫的磷危機(jī)代表了當(dāng)代人類(lèi)面臨的兩個(gè)最深刻的挑戰(zhàn)，而生活污水中存在豐富的磷和碳資源，很明顯我們需要一種范式轉(zhuǎn)變，將生活污水視為潛在的寶貴資源而非廢水流。據(jù)報(bào)道，傳統(tǒng)的處理生活污水的方法占據(jù)了城市電力消耗的大約3%，其中大約一半能量被分配給活性污泥工藝的曝氣部分。遺憾的是，這一過(guò)程還導(dǎo)致了易生物降解的COD和磷資源的浪費(fèi)。磷是一種不可再生且對(duì)生物代謝不可或缺的資源，預(yù)計(jì)在未來(lái)200年內(nèi)枯竭。因此，從污水中高效回收和利用碳和磷資源已成為促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵策略。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)污水中C和P的增值利用，本文采用新興的鈦鹽混凝劑實(shí)現(xiàn)高效捕捉生活污水中的COD和P。此過(guò)程產(chǎn)生的鈦基絮凝污泥與餐廚垃圾以干重比3：1厭氧共發(fā)酵實(shí)現(xiàn)了VFAs產(chǎn)量的四倍提升。半連續(xù)共發(fā)酵中VFAs的產(chǎn)量濃度高達(dá)2529 mg/L且C_VFAs/N_NH4 高達(dá)50以上。共發(fā)酵促進(jìn)了反應(yīng)器中定向產(chǎn)生VFAs微生物富集，提高了水解、糖酵解、Stickland反應(yīng)和VFAs代謝等過(guò)程酶對(duì)應(yīng)的基因表達(dá)。針對(duì)于困難的發(fā)酵后殘?jiān)奶幹脝?wèn)題，本研究采用焚燒酸浸的方法，實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵殘?jiān)贌曳种蠵和Ti元素的固液分離。酸浸液中TP濃度高達(dá)223.2 mg/L，通過(guò)加入NH₄⁺和Mg²⁺回收出了增值產(chǎn)品鳥(niǎo)糞石。酸浸殘?jiān)蠺i元素以TiO₂的形式被很好的保存了下來(lái)，并呈現(xiàn)出納米材料結(jié)構(gòu)。最終，發(fā)酵殘?jiān)械腜元素和Ti元素的回收率為80.9%和82.1%。

圖 2  厭氧產(chǎn)酸發(fā)酵的代謝路徑及酶對(duì)應(yīng)的基因豐度對(duì)比

本論文的研究結(jié)果不僅通過(guò)鈦基絮凝實(shí)現(xiàn)了生活污水的凈化，還對(duì)鈦基污泥中的C、P和Ti元素實(shí)現(xiàn)了同步高效回收，為污水凈化、資源回收、環(huán)境保護(hù)以及產(chǎn)生高效經(jīng)濟(jì)的副產(chǎn)品方面提供了巨大的參考價(jià)值。本研究受?chē)?guó)家自然科學(xué)基金，山東省泰山學(xué)者青年專(zhuān)家計(jì)劃和山東省優(yōu)秀青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃的資助。

論文鏈接：Https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135424000113