通过氨气回收从废水中生产氢气

把脏水变成清洁能源

每天，城市、农场和工厂排放含氮丰富的废水。如今这些氮大多被视为污染物并排放到空气中，尽管它实际上是一个被忽视的巨大资源。该研究探讨了一个大胆的想法：与其丢弃这些氮，不如将其捕获为氨并把氨转化为氢气——这种清洁燃料在使用时只产生水。通过连接先进的处理技术，作者表明废水可以在不增加碳污染的情况下，为全球相当一部分氢气供应提供来源。

从问题废物到有用的氨

现代污水处理厂的设计目的是通过将活性氮转化为无害的氮气来保护河流和湖泊免受营养物超载。这种方法虽然能控制污染，但却浪费了氮中蕴含的能源和肥料价值。本文考察了三种现有技术，它们可以做得更聪明：从真实废物流中回收可再利用形式的氮。气体吹脱利用加热和高pH值将溶解的铵驱赶为氨气，然后在酸性液体中捕获。膜透析通过特殊的透气隔膜传输氨，同时将大部分其他杂质留在一侧。电渗析依靠电场和选择性离子膜将铵拉入浓缩流中。通过以共同标尺重新分析大量关于真实废水的已发表实验，作者比较了每种途径每升废水实际能回收多少氨。

哪些回收路线效果最好

当所有数据标准化后，气体吹脱在从典型废水中提取铵方面表现最为高效，常常能回收超过90%的氮。然而，当氮含量非常高时，其性能会急剧下降，因为需要额外的化学剂并且其他溶解盐会产生干扰。电渗析表现良好，但可能受到其他带电离子的竞争以及膜上矿物结垢的影响。膜透析展现出不同的优势：得益于疏水膜对氨气的选择性传输，即使在氮浓度极高的情况下也能保持高效。在最苛刻的情况下，膜系统每升废水回收的氨总量最大，这使其对畜禽粪便、垃圾填埋渗滤液和浓缩工业废水特别有吸引力。

把氨裂解为氢气

捕获氨只是故事的一半。要把它变成可用燃料，必须在高温下通过固体催化剂将氨分解为氢和氮。作者梳理了近期催化剂研究，识别出三大类：基于贵金属钌的、基于更廉价金属如镍的，以及结合不同金属的双金属合金。钌催化剂因能在约500°C左右的较低温度下实现近乎完全的氨转化而突出，这能降低能耗并延长催化剂寿命。镍和合金催化剂也可以表现良好，但通常需要更高的运行温度，从而增加燃料消耗。重要的是，通过电化学途径回收的氨基本不含硫、氯和重金属，意味着其行为类似高纯度商业氨，不太可能毒害这些催化剂。

废水能提供多少氢气？

通过将最佳回收和裂解步骤串联成三阶段链——以铵的形式捕获氮、电化学转化为氨气、以及催化裂解为氢——该研究估算了理论上可由全球废水流量产生的氢量。根据废水类型和技术组合，每升可产出大约十分之一克到超过一克的氢气。放大到全球城市、生活、畜牧业、食品加工和部分工业流，这相当于每年约2.5到30.6百万吨氢气。相当于当前全球氢气产量的大约44%，且实现方式不依赖燃烧化石燃料，同时改善了废水处理。

权衡成本与环境效益

研究人员还将这一新路线与长期确立的哈伯—博世工艺进行了比较，后者使用天然气合成氨并负责世界大部分肥料生产。从纯能量角度看，从废水中回收氨再裂解成氢的成本仍略高于传统的“灰色”氨，但已接近于能捕集一部分二氧化碳的“蓝色”氨，并且比单靠可再生电力生产的“绿色”氨更便宜。当计入温室气体排放时，基于废水的路径显得更有优势。在当今的电力结构下，它们可以优于灰色氨；而在采用低碳电力（如太阳能）时，膜和电渗析路线在每公斤产物的气候影响上甚至可以胜过绿色氨。

这对氢能未来意味着什么

整体来看，研究表明废水中的氮不仅是一个处置问题，更是一个战略性资源。通过为不同废物流选择合适的回收工艺——在许多强浓度液体中常为膜透析——并将其与高效的钌基反应器配对，就有可能在回收肥料的同时大量生产无碳氢气。仍有一些障碍需要克服，包括放大电渗析和电化学步骤、在全规模工厂中管理杂质，以及降低钌的成本与稀缺性担忧。尽管如此，分析表明，借助周到的工程设计和可再生电力，未来的处理厂可以兼具清洁能源炼厂的功能，把我们冲走的东西转变为全球氢气供应的重要组成部分。

引用: Yang, H., Lim, S.Y., Lee, G. et al. Hydrogen production from wastewater via ammonia gas recovery. npj Clean Water 9, 25 (2026). https://doi.org/10.1038/s41545-026-00558-7

关键词: 废水 氢气, 氨回收, 膜透析, 电渗析, 钌 催化剂