尿液脱氮资源化利用新方法的研究

As a biomass resource, urine contains much higher nitrogen component and organics than the conventional sewage, which results in the existing wastewater treatment technology cannot effectively handle it and causes serious nitrogen pollution. Moreover, the purification of urine can release a large amount of chemical energy, thus it meets the needs of resources to realize the purification of urine and simultaneous recovery of chemical energy. This subject will ultilize hydroxyl radicals generated in the photoanode to oxidize the organic matter in the urine, and apply chlorine radicals to induce denitrification reaction. Based on the above reaction, a novel fuel cell for urine disposal is constructed, which realizes the energy utilization in the urine purification. In this process, urea and ammonia nitrogen are converted to nitrogen gas by chlorine radical, while part of the by-product nitrate nitrogen is then reduced to nitrogen gas on the cathode that has high selectivity, thereby realizing cycle exhaustion denitrification and simultaneous electricity generation. The project will focus on the study of self-bias photoanode preparation, functional cathode preparation and modification and battery performance, then reveal the mechanism of reaction between hydroxyl radical, chlorine radical and urine and its structure-activity relationship with electrode materials, which provides a theoretical basis for the purification of urine and power generation technology.

尿液属于生物质资源。尿液中氮物质、有机物含量极高，导致现有污水处理技术不能有效地处理尿液；尿液的排放引起了严重的氮污染问题。另一方面，尿液转化过程还释放出大量的化学能；净化尿液并回收尿液的化学能符合资源化利用的需求。项目利用光阳极产生强氧化性的羟自由基，氧化尿液有机物，同时利用产生的强氧化性的氯自由基，与含氮物质发生脱氮反应，并由此构建尿液处置的燃料电池，建立尿液脱氮资源化利用的新方法；在这一尿液发电过程中，尿素、氨氮等含氮物质，通过与氯自由基反应转化成氮气而脱除，而产生的部分硝态氮副产物，则由具有选择性还原硝态氮为氮气功能的阴极还原，从而在尿液发电与净化有机物的同时，实现耗竭式脱氮。项目通过具有自偏压功能的复合光阳极制备、功能阴极制备与修饰、电池性能研究，揭示尿液净化与产电过程中，羟自由基、氯自由基等与尿液物质反应的机制及其与电极材料的构效关系，为尿液净化并产电新技术的发展奠定理论基础。

氮污染是水体富营养化的主要根源，尿液作为高浓度含氮废弃物，虽然只占城市污水体积1%，却贡献了污水中80%氮和10%的COD；污水中氮严重超负荷，是污水处理难点；现行污水处理厂为了脱氮，采用硝化反硝化工艺，占地面积大、处理成本高加；另一方面，尿液转化过程还释放出大量的化学能；因此采用源分离的方法净化尿液并回收尿液的化学能符合资源化利用的需求。.项目利用光阳极产生强氧化性的HO•，氧化尿液有机物，同时利用产生的强氧化性的Cl•/ClO•催高选择性化尿素胺基转化氮气，并利用高选择性还原硝态氮功能的阴极还原硝态氮为氮气，由此构建高效脱氮和化学能回收利用的尿液废水燃料电池；在这一尿液发电过程中，尿素、氨氮等含氮物质，通过与氯自由基反应转化成氮气而脱除，而产生的部分硝态氮副产物，则由具有选择性还原硝态氮为氮气功能的阴极还原，从而在尿液发电与净化有机物的同时，实现耗竭式脱氮。项目通过具有自偏压功能的复合光阳极制备、功能阴极制备与修饰、电池性能研究，揭示了尿液净化与产电过程中，HO•、Cl•/ClO•等与尿液物质反应的机制及其与电极材料的构效关系，为尿液净化并产电新技术的发展奠定理论基础。项目发表高水平 SCI 论文 23 篇，包括环境/能源领域知名期刊 Environmental Science & Technology, Water Research, Journal of Hazardous Materials， Chemical Engineering Journal等；申请发明专利 3项，已授权 3 项；培养博士生 5 人，硕士生4 人。