Zespół akademika Qu Jiuhui z Centrum Ekologicznego Chińskiej Akademii Nauk poczynił istotne postępy w badaniach nad elektrochemicznymi beztlenowymi bioreaktorami membranowymi. Odpowiednie wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature Communications. Pierwszym autorem artykułu jest Zhang Yuhan, doktorant w Centrum Ekologicznym Chińskiej Akademii Nauk, a autorem korespondencyjnym jest Hu Chengzhi, badacz w Centrum Ekologicznym Chińskiej Akademii Nauk.
Jednoczesne odzyskiwanie zasobów i energii w oczyszczaniu ścieków jest jednym z ważnych kierunków zielonej i niskoemisyjnej transformacji w branży wodno-kanalizacyjnej.
Beztlenowe bioreaktory membranowe (AnMBR) mają zalety niskiego zużycia energii, wysokiego ładunku organicznego i jakości ścieków, a także mają ważne perspektywy zastosowania w dziedzinie wykorzystania zasobów ścieków.
Jednak tradycyjne membrany AnMBR są silnie zanieczyszczone i nie mogą odzyskać azotu amonowego i fosforu ze ścieków.
W tym celu zespół akademika Qu Jiuhui stworzył beztlenowy bioreaktor membranowy z elektrochemicznym odzyskiwaniem zasobów (eRANMBR). Dzięki podwójnej anodzie przewodzącej membranie magnezowej i katodzie grafitowej osiągnięto pierwszy pełny odzysk węgla, azotu i fosforu w ściekach oraz znacznie złagodzono zanieczyszczenie membrany.
Anoda magnezowa uwalnia jony magnezu i łączy się z azotem amonowym i fosforanem, tworząc struwit; reakcja wydzielania wodoru na katodzie zwiększa lokalne pH, co sprzyja osadzaniu się struwitu na katodzie, ułatwiając w ten sposób oddzielanie i odzysk struwitu i osadu na miejscu.
Mechanizm odzysku węgla, azotu i fosforu oraz łagodzenia zanieczyszczania membran w elektrochemicznym beztlenowym bioreaktorze membranowym
W badaniu tym dogłębnie zbadano wpływ regulacji struktury warstwy placka filtracyjnego na powierzchni membrany na łagodzenie zanieczyszczeń membrany oraz rolę ścieżki przenoszenia elektronów w promowaniu wytwarzania metanu.
Uwolniony Mg2+ powoduje zwiększenie wielkości kłaczków osadu i zmniejszenie adhezji cząstek osadu do powierzchni membrany, a także zmniejsza udział wiązań wodorowych w strukturze drugorzędowej zewnątrzkomórkowych białek polimerowych, tym samym osłabiając tworzenie się warstwy żelowej i nadając strukturze warstwy placka filtracyjnego luźną i porowatą.
Reakcja elektrochemiczna wzmacnia bezpośredni transfer elektronów między gatunkami, wzbogaca ścieżkę produkcji metanu i zwiększa czystość wytwarzanego metanu do 94%.
Jeżeli metanowa energia elektryczna wytwarzana w eRANMBR zostanie poddana recyklingowi, może pokryć koszty zużycia energii elektrycznej i elektrod w reaktorze.
Ogólnie rzecz biorąc, reaktor eRANMBR ma zalety prostego procesu, mniej konserwacji membran i niskiego śladu węglowego, zapewniając nową opcję techniczną dla następnej generacji oczyszczania ścieków.