学术前沿 |【ESE】生物电驱动正向渗透，实现污水资源回收过程内部供能

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本期为您转载自卓越期刊Environmental Science and Ecotechnology（ESE）的研究成果。该刊是由中国环境科学学会、哈尔滨工业大学、中国环境科学研究院联合主办，Elsevier 出版的开放获取国际学术期刊，位列中科院一区，最新影响因子14.3，重点刊发全球环境热点与生态技术创新。以下为精选全文，供行业参考。

论文的视频解读由NotebookLM AI智能生成，内容仅供参考，具体研究请查阅原文。

导语

污水并非只能被处理和排放，其中还蕴含着可回收的水、氮磷营养物和化学能。然而，水回收、营养物提取与脱盐通常由彼此独立的处理单元完成，不仅增加系统复杂度，也可能带来额外能源消耗。如何利用污水自身携带的能量，驱动多种资源在同一系统内协同回收，是污水处理由“污染物去除”转向“资源再生”面临的重要技术问题。

近日，来自美国天普大学与新泽西理工学院的研究人员在Environmental Science and Ecotechnology发表题为“Bioelectricity-driven forward osmosis for energy-neutral nutrient and water recovery”的原创研究论文。研究构建了电辅助正向渗透–微生物脱盐电池（electrically assisted forward osmosis–microbial desalination cell，eFO–MDC）耦合系统，将微生物降解有机物产生的电能收集、储存并反馈至正向渗透单元，用于驱动镁离子迁移、促进鸟粪石结晶，同时强化水迁移与脱盐过程。

在模拟畜禽养殖废水的连续流试验中，MDC产生的电功率超过7.0 mW，而eFO单元的电功率需求低于1.0 mW。在1.8 V运行条件下，与未施加电压的对照系统相比，鸟粪石回收量提高184%，水通量提高57%，系统脱盐效果提高45%，表明污水中的有机物可成为营养物与水回收过程的内部供能来源。

正向渗透降低了水分离压力，却留下了新的能量难题

正向渗透（forward osmosis，FO）利用膜两侧的渗透压差，使水从渗透压较低的进料液一侧自发迁移至渗透压较高的汲取液一侧。由于这一过程不需要像反渗透那样施加较高水力压力，FO在低能耗水分离、废水浓缩和资源回收领域受到广泛关注。

但在实际运行过程中，膜支撑层及膜表面的浓差极化会削弱有效渗透压差，汲取液中的溶质还可能反向进入进料液，使水通量下降，并增加后续处理负担。电辅助正向渗透通过在膜两侧施加温和电场，可主动调控离子迁移和界面浓度分布。

在以硫酸镁为汲取液的体系中，Mg2+可在电场作用下向废水侧迁移，与废水中的NH4+和PO43−反应，生成鸟粪石，即六水合磷酸铵镁（MgNH4PO4·6H2O）。鸟粪石是一种可缓慢释放氮、磷和镁的矿物肥料，因此，这一过程能够在强化水迁移的同时，实现废水营养物回收。

问题在于，持续调控离子迁移仍需外部供电；与此同时，经正向渗透形成的浓缩废水和稀释汲取液也需要进一步处理。单独强化FO过程，并不能从系统层面解决能源输入、浓缩液处理与资源回收之间的协同问题。

微生物脱盐电池则提供了另一条技术路径。在MDC阳极室内，电活性微生物氧化废水中的有机物并释放电子；电子经外电路流向阴极，由此推动盐室中的阴、阳离子分别穿过离子交换膜，在去除有机物的同时实现产电与脱盐。

此前已有研究将FO与MDC进行水力耦合：FO负责浓缩废水、稀释盐水，MDC再对两股水流进行后续处理。但这类系统在电能层面仍相互独立，MDC产生的电力尚未用于主动控制FO中的离子输运。研究团队由此提出：eFO所需电压通常仅为1–4 V，能否直接利用MDC产生的生物电，为前端膜过程供能？

将污水处理过程连接成内部供能回路

研究团队将eFO与三室MDC同时进行水力耦合和电耦合。

eFO单元以模拟畜禽养殖废水的合成废水为进料液，以0.3–0.7 mol L−1的MgSO4溶液为汲取液。渗透压差首先推动水分子从废水侧穿过正向渗透膜进入汲取液，使废水得到浓缩、汲取液得到稀释。施加电压后，Mg2+沿相反方向向废水侧迁移，并在膜界面附近与NH4+、PO43−形成鸟粪石沉淀。

eFO处理后的浓缩废水进入MDC阳极室，作为电活性微生物的有机底物；稀释后的MgSO4汲取液则进入MDC盐室进一步脱盐。MDC产生的低电压电能经能量采集模块收集，储存在400 F超级电容器中，再经稳压模块转换为稳定电压，重新输送至eFO单元。

由此，污水有机物的氧化过程成为离子迁移与鸟粪石形成的电力来源，两个原本各自运行的处理单元被连接为“有机物氧化–生物产电–离子迁移–营养物回收”的内部反馈回路。

图1eFO–MDC系统的构型与传输路径。用于从畜禽养殖废水（WW）中回收营养物的电辅助正向渗透—微生物脱盐电池（eFO–MDC）系统示意图。该系统将正向渗透膜组件与MDC单元集成，并对进料液、汲取液、阳极液和盐溶液进行内部循环。雪花符号表示运行期间对进料液和阳极液储液罐进行冷却。MDC下部阴极室以Na2SO4为阴极液。施加的电能促进离子迁移、微生物电子传递以及形成鸟粪石所需离子的输运。彩色符号表示营养物回收与脱盐过程中涉及的主要离子种类。VFeed和VDraw分别表示进料液和汲取液体积，Qw表示通过正向渗透膜的水流量。

从图1可以看到，这一系统并非简单地将两套装置前后串联。左侧eFO单元完成水的跨膜迁移和Mg2+的反向输运；右侧MDC进一步处理eFO产生的浓缩废水和稀释盐水，并利用电活性微生物产生电能。图中上方的电路则构成能量反馈通道：MDC产生的电力返回eFO，用于调控离子迁移。

与此同时，eFO对废水的浓缩和对汲取液的稀释，也会改变MDC接收的有机负荷、盐负荷和水力停留时间。水流、盐分、有机负荷和电能由此在两个单元之间形成相互影响的耦合反馈。

生物电同时强化水迁移、鸟粪石结晶与脱盐

研究团队首先比较了未施加电压的对照系统与施加1.8 V电压的eFO–MDC系统。

施加电压后，水通量由1.4 L m−2 h−1提高至2.2 L m−2 h−1，增幅为57%；鸟粪石回收量由0.25 g提高至0.71 g，增幅达到184%。按磷酸根和铵根分别计算，鸟粪石回收效率达到83%和72%。

水通量的增加并非来自电场对水分子的直接推动，而是源于膜界面离子分布的改变。电场强化了Mg2+由汲取液向废水侧的反向迁移，缓解了汲取液侧的浓差极化；与此同时，Mg2+与NH4+、PO43−持续形成鸟粪石，消耗了膜界面附近的溶质，也减轻了进料液侧的浓差极化。膜两侧的有效渗透压差由此得到维持，进而促进水分子持续跨膜迁移。

在脱盐方面，进水电导率为28.4 mS cm−1，经eFO处理后降至10.7 mS cm−1，随后经MDC进一步降至5.3 mS cm−1。与相应对照条件相比，eFO和MDC处理后的最终电导率分别降低了39%和45%。

图2电辅助条件下eFO–MDC系统的基准性能。a，对照条件和1.8 V条件下，基于磷酸根（PO43−）和铵根（NH4+）计算的鸟粪石回收效率。b，对照条件和1.8 V条件下，进水、处理后的进料液（同时作为阳极液进水）和阳极液出水中的化学需氧量（COD）与电导率。柱形表示COD浓度，折线表示电导率。误差线表示三次平行测量的标准差。COD_1.8 V和Conductivity_1.8 V等标签分别表示eFO电压为1.8 V时测得的COD和电导率。

图2a直观呈现了电场对鸟粪石回收的促进作用。施加1.8 V电压后，基于PO43−和NH4+计算的回收效率均明显提高。其中，基于NH4+计算的回收效率低于基于PO43−计算的结果。研究认为，阴极反应会使膜界面局部pH升高，部分NH4+可能转化为NH3，因而未全部进入鸟粪石晶体。

图2b则揭示了有机物浓度与盐度在系统中的不同变化路径。正向渗透使水从废水侧迁出，因此eFO处理后的废水COD浓度有所升高；进入MDC阳极室后，COD因微生物氧化而下降。电导率则在eFO和MDC两个阶段连续降低，说明水回收、有机物去除和脱盐并非彼此独立，而是通过水量和盐负荷的重新分配形成协同。

更高电压能够增强回收，但系统性能并非同步上升

为识别影响系统运行的关键因素，研究团队进一步改变eFO电压、MgSO4汲取液浓度、MDC外接电阻以及进料液和汲取液流量。

结果显示，电压是决定离子迁移强度和鸟粪石回收水平的重要参数。随着eFO电压由1.8 V升至2.8 V和3.8 V，水通量分别提高至2.5和2.8 L m−2 h−1。在3.8 V条件下，鸟粪石回收量达到1.03 g，按磷酸根和铵根计算的回收效率分别达到93%和80%，最终出水电导率降至2.9 mS cm−1。

功率数据表明，即使在3.8 V条件下，eFO的功率消耗也仅约为0.9 mW，而MDC的平均功率输出约为7.4 mW，前者仍比后者低一个数量级。从电耦合单元的供需关系看，MDC产生的生物电足以满足eFO对电场的需求。

不过，更高电压并未使所有指标同步改善。当电压升至3.8 V时，MDC库仑效率降至70%。研究认为，盐室电导率持续降低会增加系统欧姆内阻，从而限制电流输出。与此同时，库伦效率降低表明，更多底物电子可能进入生物量合成、发酵等非产电途径。

汲取液浓度同样表现出明显的权衡关系。将MgSO4浓度由0.3 mol L−1提高至0.7 mol L−1，可增强渗透压差和Mg2+迁移，使水通量提高至2.4 L m−2 h−1、鸟粪石回收量提高至0.93 g。但盐室需要处理的初始盐负荷也随之增加，系统最终电导率在0.5 mol L−1时最低；继续提高汲取液浓度，反而会削弱最终脱盐效果。

图3施加电压和汲取液浓度对系统性能的影响。a，不同施加电压下，进水、处理后的进料液（同时作为阳极液进水）和阳极液出水中的化学需氧量（COD）浓度与电导率。b，不同施加电压下运行期间，微生物脱盐电池（MDC）的功率输出与电辅助正向渗透（eFO）的功率消耗。数据每5 min记录一次。c，不同汲取液浓度下，基于铵根（NH4+）和磷酸根（PO43−）回收计算的鸟粪石回收效率。d，不同汲取液浓度下，进水、处理后的进料液（同时作为阳极液进水）和阳极液出水中的COD浓度与电导率。误差线表示三次平行测量的标准差。

图3a显示，随着电压升高，eFO处理后的废水COD浓度逐渐增加，反映出更高水通量带来的浓缩效应；经过MDC阳极室处理后，COD则维持在较低水平。与此同时，出水电导率持续下降，说明提高电压能够强化离子迁移和后续脱盐。图3b进一步呈现了系统的电力供需关系。在不同电压条件下，MDC的功率输出始终明显高于eFO的功率消耗。虽然MDC功率随运行时间略有下降，但总体仍可覆盖前端膜单元的用电需求。图3c和图3d说明，提高汲取液浓度能够增加鸟粪石回收效率和水通量，却不必然带来最低的最终盐度。较高浓度的MgSO4既提供了更强的渗透驱动力和更多Mg2+，也增加了MDC盐室的脱盐负荷。因此，汲取液浓度需要在水回收、营养物结晶、生物产电与最终脱盐之间综合确定。

外接电阻主要影响MDC中的电子传递、有机物去除和脱盐，而对eFO水通量及鸟粪石形成影响较小。当外接电阻由1 Ω增加至3 Ω时，阳极出水COD和盐室出水电导率均有所升高，MDC平均功率则在2 Ω时达到最高值。

进料液和汲取液流量的影响更为复杂。提高进料液流量可增强水通量和鸟粪石回收，但会缩短阳极室水力停留时间；提高汲取液流量可促进有机物去除和功率输出，却可能因盐室停留时间不足而削弱脱盐效果。由此可见，电压、浓度、电阻和流量分别作用于离子迁移、水力停留时间、微生物代谢与电化学传递过程，系统优化不能依赖单一性能指标。

混合模型将有限试验扩展为连续运行窗口

eFO–MDC系统同时涉及水迁移、离子扩散与电迁移、电化学反应、微生物生长和电能传递，各过程随运行条件同步变化。若完全依靠逐组试验寻找最优工况，不仅耗时，也难以覆盖复杂的参数组合。

研究团队因此建立了机理模型与支持向量机相结合的混合模型。机理部分用于描述跨膜水输运、Mg2+迁移、MDC产电和物质平衡等过程；支持向量机则根据电压、汲取液浓度、外接电阻及流量等运行变量，校准水渗透系数、Mg2+有效扩散系数、库仑效率和等效内阻。

研究共设置12种试验条件，每种条件包含4次重复，共获得48组样本。模型随后用于预测鸟粪石回收量、COD、电导率和MDC平均功率，并通过两组未参与训练的运行条件进行检验。

图4鸟粪石回收模型验证与模拟运行窗口。a，实测鸟粪石质量与预测鸟粪石质量的比较。灰色虚线表示1∶1线，蓝色实线表示拟合回归线，红点表示离群值。b，不同电压和汲取液浓度条件下鸟粪石回收量的模拟。曲面颜色表示模拟得到的鸟粪石质量水平。

图4a显示，混合模型预测的鸟粪石回收量与实测值总体保持较好一致性，决定系数R2为0.88。尽管模型在部分极端流量条件下仍存在较大误差，但在两组独立测试条件下，鸟粪石回收量、电导率和功率输出的预测结果均与实测结果较为接近。

图4b将电压和汲取液浓度的离散试验结果扩展为连续运行窗口。模拟结果显示，鸟粪石回收量总体随电压和汲取液浓度升高而增加。模型对其他运行条件的分析还表明，进料液和汲取液流量引起的水力停留时间变化会对鸟粪石回收产生非线性影响。这意味着营养物结晶不仅取决于电迁移提供的Mg2+通量，也受到反应物停留时间和局部传质状态的共同控制。

与单独的数据驱动模型相比，混合模型的优势不仅体现在拟合精度，还在于保留了水迁移、离子输运和微生物产电过程的物理约束，可用于连续模拟和系统层面的机理解释。

从原理验证走向工程放大，仍需解决系统匹配问题

技术经济分析显示，在当前台架规模和基准工况下，系统净处理成本约为10.2美元 m−3，成本主要来自反应器投资摊销和水力输送。在提高处理规模、降低单位设备成本并改善水力效率的工程放大情景下，预计净处理成本可降至3.3美元 m−3。

这一估算仅计入鸟粪石回收和内部发电带来的直接经济收益，尚未将废水减量、盐度降低以及回收水产生的处理价值货币化。

从电功率供需关系看，一个MDC产生的电能理论上可以支持多个eFO单元；但从处理能力看，MDC阳极室和盐室所需的水力停留时间明显长于eFO相应流路。简单增加eFO数量，可能使有机负荷和盐负荷超过MDC的处理能力。因此，工程放大不能只依据功率余量，还需要重新匹配各反应室体积、膜面积、处理流量和停留时间。

此外，部分鸟粪石会沉积在膜表面、管路和组件内部，长期运行可能引发膜结垢并影响水通量稳定性；电辅助条件下，不锈钢电极的腐蚀和长期电化学稳定性也需要进一步评估。当前试验采用模拟畜禽养殖废水，混合模型的数据规模仍较有限，未来还需通过长期运行、真实废水试验和多模块耦合扩大数据基础。

这项研究的主要意义在于验证了一种新的系统组织方式：将有机物降解产生的生物电直接用于控制膜过程中的离子迁移，使水回收、营养物结晶、有机物去除和盐度调控由多个彼此分离的操作，转变为具有内部物质—能量反馈的连续处理系统。这一框架为营养物浓度较高的农业废水、分散式污水处理及未来资源回收型污水处理设施提供了新的实验与模型基础。

作者简介

第一作者｜刘金雨，美国天普大学环境工程专业博士生，博士期间主要研究面向可持续水处理与资源回收的先进膜分离与生物电化学技术，重点关注废水中水、营养物质和能源的协同回收、膜过程机理与数据驱动建模，以及相关系统的生命周期环境影响评价。

通讯作者｜Heyang (Harry) Yuan，美国天普大学土木与环境工程系 Associate Professor、Dr.Yuan领导下的BioNex实验室主要研究方向为环境生物技术、生物电化学与工程微生物生态，重点关注废水处理、脱盐、生物能源与资源回收一体化技术，电催化产甲烷等生物电化学过程，工程系统中微生物群落及其功能动态的解析与建模，新兴生物污染物的迁移去除，以及材料—微生物相互作用。

引用信息

Liu, J., Bi, X., Huang, Z., Li, B., Zhu, Y., Zhang, L., ... & Yuan, H. (2026). Bioelectricity-driven forward osmosis for energy-neutral nutrient and water recovery. Environmental Science and Ecotechnology 32: 100730.

doi: 10.1016/j.ese.2026.100730

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排版：李滨妤

审核：孙丽华

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