《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A Novel Electrochemical Synthesis of a Potent Bio-Mineral Amendment from Solid Waste Modified Sewage: Structural, Molecular, and Agronomical Insights through Advanced Characterization
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本研究开发了一种新型双电层隔板电化学反应器（IBER），用于同步处理市政污水并回收固体废物（如香蕉皮、蛋壳、钢渣）制成生物矿物改良剂。通过中心复合设计和响应面法优化参数，约束条件下实现化学需氧量去除率82.24%，悬浮物去除率96.89%，能耗较化学混凝降低89.7%，验证了其高效、低成本和环保优势。
作者：Shiam Babu Ramesh, Theetla Jennifer Sulochana, Narasamma Nippatlapalli
所属机构：印度理工学院蒂鲁帕蒂分校土木与环境工程系，地址：Yerpedu Post, Tirupati District, Andhra Pradesh 517619, India
摘要
本研究介绍了一种新型的挡板式电化学反应器，该反应器能够同时处理城市污水，并将香蕉废弃物、蛋壳和炉渣等固体废物转化为具有生物矿质改良作用的新型材料。与传统的高能耗污水处理方法和依赖填埋场的固体废物管理方式不同，这些固体添加剂显著提升了处理效果。通过中心复合设计（Central Composite Design, CCD）和响应面方法（Response Surface Methodology, RSM），对反应器进行了优化。在无约束条件下，预测误差小于10%，性能指标达到理想值；在有限约束条件下，反应器仍保持了较高的效率（能量消耗为3.59 kWh/m3·min，沉淀速率为1.03 cm/min），且各项指标均优于工业基准。有趣的是，在约束条件下，该反应器在化学需氧量（COD）去除率（提高2%）、电流密度（降低10.85%）和腐蚀抑制（降低139.95%）方面表现更佳，表明更多的能量被用于污染物去除而非副反应。总体而言，在约束条件下，该反应器对浊度（去除99.93%）、总悬浮固体（去除96.89%）和化学需氧量（去除82.24%）的处理效果优异。对实验所得新型污泥的光谱和微观分析表明，其中含有非晶态氢氧化铝，能够固定有机物和污染物；质谱分析还检测出多种有助于促进微生物与植物协同作用、增强其抵抗性和生长的有机物质，使其成为一种经济且环保的改良剂。早期种子生长试验也证实了该改良剂在促进次生代谢物合成和植物形态发育方面的积极作用。不过，在实际农业应用前，还需进行标准化生态毒性测试、土壤培养和长期渗滤研究。与传统化学絮凝法相比，该电化学系统的运营成本降低了89.7%。
引言
全球范围内，废水处理和固体废物回收速度滞后于产生速度，导致严重的环境和健康问题。2024年全球仅有56%的污水得到处理，而印度这一比例仅为29%[1]。印度每天产生超过16万吨有机废物，由于分类和处理不当，其中仅有约一半得到处理，大部分最终被填埋，造成资源浪费[2][3]。其中，食物废物占填埋物的58%，每907吨废物会产生34吨甲烷[4]。全球每年有2.78亿吨香蕉废弃物和860万吨蛋壳被丢弃，超过50%的香蕉在储存和运输过程中被废弃，导致腐烂和甲烷排放[5][6][7]。传统堆肥方法耗时较长且需要大量土地资源：蚯蚓堆肥需约120天，堆肥法至少需60天[8][9]；这两种方法都会释放甲烷和二氧化碳，但蚯蚓堆肥的二氧化碳排放量比堆肥法多3.3%至3.5%[10]。密集城市地区因土地资源有限，这些方法难以实施[11][12]。此外，冶金渣也是废物负担的一部分：2023年全球产生了5.2亿至6.8亿吨冶金渣，尽管有部分被重新利用于建筑领域，但仍有约80%被填埋[13][14]。因此，亟需一种策略性方法，以最低成本从固体和液体废物中回收养分，实现循环可持续发展。
本研究提出了一种新型的集成挡板式电化学反应器（IBER），能够同时处理污水并将固体废物转化为工程化的生物矿质改良剂（EBMA）。与以往主要关注从污泥中提取有机生物肥料的研究不同（见表S1），本研究创新地将有机和无机废物（包括高炉渣、废弃香蕉和蛋壳）按固定比例作为功能添加剂使用。挡板设计增强了液体的滞留时间、混合效果和絮凝效果，并均匀分布电流，防止电极钝化。高炉渣中的多种金属氧化物提高了导电性和碱度，有助于污染物去除；蛋壳可维持pH值稳定；富含多糖和酚类的废弃香蕉则增强了絮体结构并减少了污泥体积。通过中心复合设计和响应面方法优化了反应器性能，确定了最佳运行参数。新型污泥的电化学特性和农业应用潜力通过先进分析方法得到验证，并通过种子生长试验进行了评估；同时与化学絮凝法进行了成本和性能对比，以评估EBMA作为可持续增值产品的潜力。
研究方法
**改性污水基质制备**：污水来自印度理工学院蒂鲁帕蒂分校的污水处理厂，该厂处理能力为100千升/天，负责处理周边宿舍和食堂产生的废水。采样时严格遵守安全规程，使用无菌容器采集约210升污水。采集前通过1马力泵对污水进行均匀处理，随后标记、密封并置于4°C环境中防止微生物生长。
**电极与催化剂选择**：电极和催化剂对比结果显示（见表S4和S5），Al-Al电极的电流密度（1.41 mA/cm3）虽低于Fe-Fe电极（20.6%），但能耗（1.92 kWh/m3·min）更低，且产生的污泥产量（21.49 g/m3）更高（提高了72.9%），这得益于其一步氧化生成非晶态Al(OH)?的过程[19][20]。基于铝的电极（Al-Al和Al-Fe）平均能耗更低（1.90 kWh/m3·min），表明其在电化学反应中具有优势。
结论
本研究通过中心复合设计和响应面方法验证了IBER作为同步处理固体和液体废物的有效平台，能够合成富含养分的污泥并捕获人为污染物。与传统研究不同，本研究优化了电化学参数和污泥沉淀条件，实现了高效运行。功能添加剂在电化学反应中发挥了协同作用，既作为絮凝辅助剂，又作为营养载体。
未来研究方向与建议
实际应用中，这些材料应从已分类的固体废物中获取，而非混合的市政废物流。在印度主要城市（如金奈），这些废物的收集工作已较为完善（包括家庭上门收集和批量收集系统）。
伦理声明
本研究未获得任何资金支持。
作者贡献声明
Narasamma Nippatlapalli：负责撰写、审稿与编辑、验证、项目管理、方法设计、实验设计及概念构建。
Theetla Jennifer Sulochana：负责实验设计、数据分析与分析。
Shiam Babu Ramesh：负责撰写、审稿与编辑、原始稿撰写、数据可视化、软件应用、方法设计、数据分析、数据整理及概念构建。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢印度理工学院蒂鲁帕蒂分校和印度理工学院马德拉斯分校提供的支持，使研究得以顺利完成。
