高浓度有机工业废水（如糖蜜、淀粉废水）蕴含着巨大的化学能。传统的厌氧消化（AD）技术将其转化为甲烷，能量回收路径成熟，但甲烷作为产品其经济价值和单位能量密度一般。微生物电解池（MEC）是一种新兴的从有机物中回收氢气的高效生物电化学技术。在MEC阳极，产电菌氧化有机物产生电子、质子和CO₂；电子通过外电路流向阴极，质子在溶液中传导至阴极，在阴极上与电子结合生成高纯度氢气。这一过程需要施加一个小的外加电压（通常为0.2-1.0V）来克服热力学能垒。将AD与MEC串联耦合，由AD完成复杂有机物到小分子有机酸（VFA）的“液化”过程，再由MEC高效地将VFA转化为高价值氢气，理论上可以大幅提升整体能量回收效率和产品价值。

  本研究搭建了一套AD-MEC耦合系统。前端是一个运行稳定的中温UASB反应器，处理人工糖蜜废水（COD约10000mg/L）。通过控制较短的HRT，使UASB出水富含挥发性脂肪酸（主要是乙酸和丙酸），其COD约3000mg/L，甲烷产量被抑制。此富含VFA的厌氧出水，经过滤后进入后续的连续搅拌槽式反应器构型的MEC阳极室。MEC阳极材料为碳纤维刷，阴极采用铂碳气体扩散电极，阴阳极之间施加0.6V的恒电压。连续流实验表明，在HRT为8小时的条件下，MEC对进水VFA的去除率高达90%以上，阴极氢气产率达到1.8L H₂/(L·d)，电子回收效率接近80%，产出的氢气纯度高达95%以上。

  对全系统进行能量平衡核算。以进水1kg COD计，前端UASB产甲烷回收的能量约8.4kJ，后段MEC产氢气回收的能量约10.5kJ，两者之和为18.9kJ。如果单独用厌氧产甲烷处理这1kg COD，理论上最高只能回收约12-13kJ的能量。可见AD-MEC串联耦合系统比单独AD多回收了约50%的能量，且能量的载体从热值较低的气体燃料甲烷，升级为了高热值、高价值、用途更广的清洁能源——氢气。尽管MEC单元目前仍存在电极材料昂贵、放大技术不成熟等问题，该研究清晰地展示了从工业废水中升级回收绿色氢能的宏大潜力。

标签: