从污水中捕获能源的人记哈尔滨工业大学深圳教

路璐在美国普林斯顿大学校园

环境工程领域有一句公认的话：没有什么东西天生是废弃物，所谓的废弃物都是放错了地方的资源。

日常生活和工业活动产生的污水，含有大量的废弃有机物，而如何在污水处理过程中将这些“资源”捕获、回收、利用，产生经济效益，同时还要减少碳的排放，就是哈尔滨工业大学（深圳）教授路璐致力的研究工作。

2019年12月，旅居海外7年的路璐回到国内，获得了国家青年人才计划项目,确立了以水-能源-碳系统关联（Water-Energy-Carbon Nexus）为主线的研究方向。他是国际上最早关注和提出相关概念的学者之一，在国外积累了丰富的科研经验。他的归来，为中国的环境工程研究注入了一股新鲜的血液，将为中国的节能减排事业带来新的动力。

捕碳者 从污水中回收能量将温室气体变废为宝

污水处理是一个高耗能的过程，在传统的污水处理工业中，它的耗电量可以占到全球用电量的3%～5%。同时，在污水处理过程中，人们只关注污染物的去除，极少有人关心这个过程中产生的经济、能耗及温室气体的排放问题。

路璐介绍说，以往，在污水处理行业虽然也有一些提高能源化的尝试，比如厌氧发酵，它可以回收一部分的能源，减少化石燃料的使用，间接减少了碳排放，但是这些尝试都没有主动地关注和进行碳捕获和碳利用，其仍是一个碳排放或碳中性过程。对此，路璐率先提出了污水处理过程中捕获和利用温室气体的概念，并对一些可行性的路线进行了经济和技术分析。

2012年9月，路璐前往美国科罗拉多大学丹佛分校从事博士后研究工作，之后，他又先后任职于美国科罗拉多大学博尔德分校和美国普林斯顿大学。在这个过程中，他针对污水处理工业高能耗、高温室气体排放的现状，开发出了微生物电解碳捕获技术（MECC）。该技术在降解污水中有机物的过程中回收能量，将其转化为氢气，同时产生碱度用于固定二氧化碳为碳酸盐沉淀。

MECC不但能100%捕获有机物降解产生的二氧化碳，还能捕获更多空气中或点源污染排放的碳，使得污水处理成为一个负碳排放过程。同时，MECC回收的氢能大于自身的能量消耗，可取代化石燃料消耗，带来更大的负碳效应。它提供了另一种可持续污水处理的新思路。

在此基础上，路璐还分析了其他具有碳捕获潜力的污水处理技术，发现，如果将这些技术和MECC耦合起来构建新型污水处理厂，有望实现负碳排放、能量自给的污水处理。同时，可以将二氧化碳变废为宝，转化为碳酸盐、生物柴油、生物炭等产品。这项研究以目前碳排放量最大的中美两国为例，进行了系统的环境和经济分析。研究表明，负碳污水厂具有巨大的碳容量和经济效益。相关成果发表在Nature子刊Nature sustainability上，并获得了美国华裔环境工程与科学教授协会最佳论文奖。

目前，MECC技术已获得美国授权专利，正与美国埃克森美孚石油公司开展技术转移。研究工作得到多家美国媒体的关注和报道，包括：美国国家科学基金网站、ScienceDaily、The Engineering等。爱荷华大学的Jerald Schnoor教授高度评价该研究，认为据此研究成果，研究者需要对污水处理在气候变化中的作用引起重视。

储能者 构建人工光合系统从污水和太阳光中获取可再生能源

我国是一个能源和资源短缺的国家，展开污水处理与资源化的研究对我国的可持续发展有着重大意义。在国家自然科学基金公布的环境工程9个研究领域中，有两项优先资助，其中一项就是“城市污水再生与资源化”。

路璐介绍道：“我国污水处理正处于转型阶段，由以前的先解决污染问题，到现在越来越重视资源化。虽然，我国污水处理资源化研究，目前绝大多数还处于实验室研究、理论研究的起步阶段，但是大规模工业化应用的需求越来越迫切，所以这在我国有着特别光明的发展前景。”

从路璐已做的研究工作来看，他其实更偏重于污水处理能源化。一般来说，可以在污水处理过程中回收三种能源：氢气、甲烷和电能。“严格来说，氢气和甲烷属于能源的载体，它们回收以后可以产生一定的能源价值。”路璐所研究的微生物电化学技术，可以让微生物在降解污水中有机物的过程中，将有机物中蕴含的化学能转化为电能，然后通过电路技术直接利用电能，或将电能转化为氢气、甲烷、液体碳燃料等其他形式的能源。

近些年，路璐在污水处理能源化的研究中，还对太阳能的回收利用进行了探索。太阳能具有储量丰富、清洁无污染等优点,是世界各国重点开发的新能源之一。但是，太阳是一种间歇性能源，很难将其储存。那是否可以将污水中的化学能和太阳能共同转化成另外一种可储存、可运输的能源？对此，路璐构建了可处理污水的人工光合系统（APS），被称之为微生物光电化学系统（MPEC），以自然光作为唯一的外部驱动力从实际污水中产生氢气。

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