從污水中捕獲能源的人
——記哈爾濱工業大學（深圳）教授路璐

段盼盼 倪海波

路璐在美國普林斯頓大學校園

環境工程領域有一句公認的話：沒有什么東西天生是廢棄物，所謂的廢棄物都是放錯了地方的資源。

日常生活和工業活動產生的污水，含有大量的廢棄有機物，而如何在污水處理過程中將這些“資源”捕獲、回收、利用，產生經濟效益，同時還要減少碳的排放，就是哈爾濱工業大學（深圳）教授路璐致力的研究工作。

2019年12月，旅居海外7年的路璐回到國內，獲得了國家青年人才計劃項目,確立了以水-能源-碳系統關聯（Water-Energy-Carbon Nexus）為主線的研究方向。他是國際上最早關注和提出相關概念的學者之一，在國外積累了豐富的科研經驗。他的歸來，為中國的環境工程研究注入了一股新鮮的血液，將為中國的節能減排事業帶來新的動力。

捕碳者 從污水中回收能量將溫室氣體變廢為寶

污水處理是一個高耗能的過程，在傳統的污水處理工業中，它的耗電量可以占到全球用電量的3%～5%。同時，在污水處理過程中，人們只關注污染物的去除，極少有人關心這個過程中產生的經濟、能耗及溫室氣體的排放問題。

路璐介紹說，以往，在污水處理行業雖然也有一些提高能源化的嘗試，比如厭氧發酵，它可以回收一部分的能源，減少化石燃料的使用，間接減少了碳排放，但是這些嘗試都沒有主動地關注和進行碳捕獲和碳利用，其仍是一個碳排放或碳中性過程。對此，路璐率先提出了污水處理過程中捕獲和利用溫室氣體的概念，并對一些可行性的路線進行了經濟和技術分析。

2012年9月，路璐前往美國科羅拉多大學丹佛分校從事博士后研究工作，之后，他又先后任職于美國科羅拉多大學博爾德分校和美國普林斯頓大學。在這個過程中，他針對污水處理工業高能耗、高溫室氣體排放的現狀，開發出了微生物電解碳捕獲技術（MECC）。該技術在降解污水中有機物的過程中回收能量，將其轉化為氫氣，同時產生堿度用于固定二氧化碳為碳酸鹽沉淀。

MECC不但能100%捕獲有機物降解產生的二氧化碳，還能捕獲更多空氣中或點源污染排放的碳，使得污水處理成為一個負碳排放過程。同時，MECC回收的氫能大于自身的能量消耗，可取代化石燃料消耗，帶來更大的負碳效應。它提供了另一種可持續污水處理的新思路。

在此基礎上，路璐還分析了其他具有碳捕獲潛力的污水處理技術，發現，如果將這些技術和MECC耦合起來構建新型污水處理廠，有望實現負碳排放、能量自給的污水處理。同時，可以將二氧化碳變廢為寶，轉化為碳酸鹽、生物柴油、生物炭等產品。這項研究以目前碳排放量最大的中美兩國為例，進行了系統的環境和經濟分析。研究表明，負碳污水廠具有巨大的碳容量和經濟效益。相關成果發表在Nature子刊Nature sustainability上，并獲得了美國華裔環境工程與科學教授協會最佳論文獎。

目前，MECC技術已獲得美國授權專利，正與美國埃克森美孚石油公司開展技術轉移。研究工作得到多家美國媒體的關注和報道，包括：美國國家科學基金網站、ScienceDaily、The Engineering等。愛荷華大學的Jerald Schnoor教授高度評價該研究，認為據此研究成果，研究者需要對污水處理在氣候變化中的作用引起重視。

儲能者 構建人工光合系統從污水和太陽光中獲取可再生能源

我國是一個能源和資源短缺的國家，展開污水處理與資源化的研究對我國的可持續發展有著重大意義。在國家自然科學基金公布的環境工程9個研究領域中，有兩項優先資助，其中一項就是“城市污水再生與資源化”。

路璐介紹道：“我國污水處理正處于轉型階段，由以前的先解決污染問題，到現在越來越重視資源化。雖然，我國污水處理資源化研究，目前絕大多數還處于實驗室研究、理論研究的起步階段，但是大規模工業化應用的需求越來越迫切，所以這在我國有著特別光明的發展前景。”

從路璐已做的研究工作來看，他其實更偏重于污水處理能源化。一般來說，可以在污水處理過程中回收三種能源：氫氣、甲烷和電能。“嚴格來說，氫氣和甲烷屬于能源的載體，它們回收以后可以產生一定的能源價值。”路璐所研究的微生物電化學技術，可以讓微生物在降解污水中有機物的過程中，將有機物中蘊含的化學能轉化為電能，然后通過電路技術直接利用電能，或將電能轉化為氫氣、甲烷、液體碳燃料等其他形式的能源。

近些年，路璐在污水處理能源化的研究中，還對太陽能的回收利用進行了探索。太陽能具有儲量豐富、清潔無污染等優點,是世界各國重點開發的新能源之一。但是，太陽是一種間歇性能源，很難將其儲存。那是否可以將污水中的化學能和太陽能共同轉化成另外一種可儲存、可運輸的能源？對此，路璐構建了可處理污水的人工光合系統（APS），被稱之為微生物光電化學系統（MPEC），以自然光作為唯一的外部驅動力從實際污水中產生氫氣。

傳統人工光合系統（APS）需要借助半導體吸收太陽光以實現水分解產氫。要實現這個目標，半導體需要同時滿足：其帶隙大于分解水所需的熱力學能勢；其導帶電位小于析氫反應電位，而價帶電位大于水氧化反應電位。而在現實中，絕大多數的半導體都不能同時滿足這兩個條件。少數符合要求的半導體如Gu2O和TiO2，前者不穩定，后者只能吸收占＜5%太陽能的紫外光。所以，為了使反應進行，目前的APS需要外加電壓或使用多個半導體，這大大增加了成本和復雜性。

路璐創新性地提出，用微生物電化學氧化替代傳統APS的水氧化反應，來為析氫反應提供電子。反應從污水中的有機物中獲取能量，將氧化電位從0.82V（水氧化）降低至-0.29V，將所需能勢從1.23V降低至0.13V。這等同于將所需的半導體帶隙降低至0.13V。這一創新降低了APS對半導體材料的門檻，使得幾乎所有的半導體可實現光合產氫，而無需外加電壓，并可使用帶隙較小的半導體，大大提高了對光的吸收效率。

根據這一創新理論，路璐進一步開發了新型、廉價的微生物光電化學（MPEC）系統。以啤酒廠廢水為底物，在一個太陽光條件下，能穩定產生17～23mA/cm2的光電流密度，時長達90小時。這個數據是目前同類研究獲得的最高記錄，遠高于目前公認的APS商業化指標10mA/cm2。

“相較于傳統APS需要純水，MPEC可利用和處理污水，同時解決了能源和水環境污染問題。”路璐表示，MPEC氧化反應不產生氧氣，這避免了氫氣和氧氣混合帶來的安全風險和分離成本。相關成果發表在Energy & Environmental Science上，其為環境與能源領域最高影響因子期刊。該研究還獲得了美國國家科學基金的資助和關注，并以視頻方式進行了報道。

在利用MPEC從污水中產氫的基礎上，路璐繼續深入研究，在半導體材料、催化劑和電子電路等方面取得一系列突破，成功在MPEC中實現自發CO2和H20催化還原，生成重要的工業合成原料合成氣（H2和CO的混合氣），并同時去除污水中的污染物，實現水資源再生。此項研究，標志著有望在同一個體系內實現水-能源-碳的可持續發展，是重要的理論創新并展現了廣闊的運用前景。該研究成果已發表在Cell子刊Joule上。

追夢者 在環境工程領域的求學之旅

2000年，中國高校經歷了一波合并浪潮，通過合并，一些高校的規模擴大，實力得到了提升，高校排名也隨之上升。其中，就包括路璐曾就讀的武漢理工大學。但其實，路璐填報的第一志愿并不是武漢理工大學。

當時，“懵懵懂懂”的路璐跟著“潮流”在第一志愿一欄填報了西安交通大學電子科學與技術專業。因為沒有服從專業調劑，所以路璐被第二志愿武漢理工大學環境工程專業錄取。他說：“進入環境工程領域也算機緣巧合，但是現在回頭來看，我覺得很慶幸，因為我本身對生物和化學很感興趣，而生物、化學正好是環境工程最基礎的兩個學科，所以后來越學越覺得有意思。”

20年前，環境工程在中國屬于新興的交叉學科，但在這個領域，路璐如魚得水，順利地完成了本科和碩士的學習。在華中科技大學攻讀碩士時，路璐跟隨導師康建雄教授參與了大量的工程設計和工程實踐，積累了豐富的工程經驗，培養了很強的工作能力。

原本，路璐打算碩士畢業后直接就業，且他曾有機會進入北京桑德環保集團有限公司。然而，轉折出現在他完成碩士畢業論文期間。他的碩士研究課題是利用高級氧化方法處理含油廢水，這個過程中，他逐漸對科學研究產生了濃厚的興趣，并成功發表了一篇一區SCI論文。康建雄教授鼓勵他道：“如果你想要繼續從事科學研究，我可以推薦你到任南琪老師那邊去讀博士，進行更深入的學習。”

當時，任南琪院士正擔任哈爾濱工業大學副校長，已經在城市水資源與水環境改善對策，污水生物處理工藝、技術與設備等方面做出了突出貢獻。路璐了解到，任南琪院士的研究方向正好是自己感興趣且想要走下去的科研方向，于是當機立斷，放棄了直接就業，轉而前往任南琪門下繼續深造。

“在哈爾濱工業大學讀博，我認為是改變我人生最重要的一步。在這個過程中，我各方面的能力、眼界甚至思想和追求都上了一個很大的臺階。”博士一開始，路璐就確立了利用微生物電化學技術從污水處理過程中產生氫氣的研究方向，此后4年，他在這一方向上展開了十分系統的、深入的探索，取得了多項創新性的研究成果。

他基于微生物電解池（MEC）技術，進行了一系列高效強化生物產氫工作，即針對發酵產氫細菌底物轉化率低的瓶頸（上限33%），以糖蜜廢水為底物，開展乙醇型發酵耦合MEC梯級產氫，獲得了＞80%的超高轉化率；開展了低溫（4℃）MEC產氫，突破了發酵產氫細菌不能在低溫下正常工作的瓶頸，探明了特殊的低溫功能微生物；通過MEC從蛋白質中獲取氫氣，突破了發酵細菌不能利用蛋白產氫的瓶頸，解決了高蛋白有機廢物，如污水廠剩余活性污泥，發酵產氫效率低的難題，該研究論文被列為環境/生態領域ESI1%高引用論文。

由于科研表現突出，路璐于2010年獲中華人民共和國教育部“博士研究生學術新人獎”；2011年，獲宇星科技/城市水資源與水環境國家重點實驗室“宇星科技環境工程獎學金”和寶鋼教育基金“寶鋼優秀學生獎”；2012年，獲哈爾濱工業大學市政環境工程學院的“周定獎學金”、哈爾濱工業大學研究生院第五屆研究生“十佳英才”及中國科學院生態所/奧加諾株式會社第六屆奧加諾（水質與水環境）一等獎學金；2013年，獲哈爾濱工業大學第十五屆優秀博士學位論文榮譽。

路璐在博士期間發表的幾篇重要論文，至今仍具有較高的影響力。例如，2020年是哈爾濱工業大學建校100周年，為此，Nature雜志推出哈爾濱工業大學百年校慶特刊。其中，路璐的一項研究成果作為環境工程領域的標志性成果在此特刊上予以展示。

登高者 機會留給有準備的人

“九層之臺，起于壘土”，機會從來都留給有準備的人。在博士期間打下的扎實基礎，讓路璐在之后的科研路上越走越遠。前往美國從事研究工作后，他的很多代表性成果都是立足于博士期間的研究延伸、產生的。其中，不得不說的一項工作是，他作為核心成員，參與了一項和美國雪佛龍能源公司合作的研究項目，開發了自給能量的新型微生物電化學修復系統，用于修復石油烴污染的土壤和地下水。

和課題組成員在一起

石油污染生物修復面臨的最大挑戰是，需要人工添加大量電子受體，用于微生物的好氧或厭氧代謝，這極大地增加了能耗和成本。針對此瓶頸，路璐提出了用電活性微生物（EAB）降解有機物，用電極充當電子受體的新思路。且針對受石油烴污染的土壤含水層，構建了新型的一體式生物電化學修復系統。該系統結構緊湊，模塊化的電極組件可直接插入含水層進行修復。

路璐詳細介紹道，EAB通過與其他微生物種群形成互作關系，將石油烴降解為二氧化碳并產生電子，電子被電極收集后，經外電路傳至空氣陰極并與空氣中的氧氣和有機物降解產生的質子結合，生成水。這一創新將電極視為初始電子受體，可將微生物厭氧呼吸鏈中的電子導出地面，以空氣中源源不斷的氧氣作為最終的電子受體。“該過程為自發反應，不消耗任何能量，產生的電流還可作為電信號監控降解過程。”

研究同時發現，電極的修復半徑可隨著時間的推移逐漸擴大，遠離電極的土壤微生物可與電極微生物形成互作關系，共同完成修復。目前，該修復系統已被美國雪佛龍能源公司用于中試，在加州Santa Rosa 100m2原油污染現場開展土壤和地下水修復。

全職回國后，路璐在目前環境領域最前沿的課題水-能源關聯基礎上，提出應關注能量生產和廢水處理過程中的碳排放，將研究擴展為水-能源-碳關聯系統研究。其主要關注，在處理、回用有機廢水的過程中的能量（氫能或含碳燃料）回收，如何將二氧化碳轉化為具有經濟價值的資源，以及整個過程的碳足跡。目標是，實現同時產能、減碳和資源回收的新型廢水處理過程。路璐的這一構想與我國的中長期環境與能源政策十分契合，符合國家發展中的重大需求。他本人也首次在Nature子刊Nature sustainability上對該研究方向與前景進行了歸納總結。

雖然，回國后的研究工作受到了新冠肺炎疫情的影響，但路璐還是攻堅克難，在疫情期間盡快展開了團隊組建和實驗室建設的相關工作，并取得了初步勝利。目前，路璐的團隊已有11個成員，實驗室90%以上已完成建設，足夠支撐科研工作的開展。此外，他和任南琪院士及哈爾濱工業大學其他兩位老師作為核心成員，申報組建了“深圳市海外高層次人才創新創業計劃團隊”，繼續推動環境工程領域的相關研究發展。

不得不提的是，在深圳市海外高層次人才創新創業計劃團隊項目的資助下，路璐于近日在水-能源-碳關聯研究領域取得新進展。他研制了一種同時從污水和太陽光中獲取能量，自發還原溫室氣體CO2和H2O，生成重要工業原料——合成氣（CO和H2混合物）并同步凈化污水的新方法，相關成果于2020年9月21日以研究論文形式發表于Cell旗下能源旗艦子刊Joule。

傳承者 做一個合格的青年教師

“師者也，教之以事而喻諸德也”，在路璐的求學過程中，他的碩士生導師康建雄教授和博士生導師任南琪院士是對他影響最深的人，也是他最感謝的人。他表示：“康教授是我的伯樂，因為在他的指導和引領下，我對環境工程這一領域越來越感興趣，也是在他的推薦下，我來到了任南琪院士的門下繼續深造，走上了科研之路。”

對路璐而言，任南琪院士更像“巨人的肩膀”，他甘為人梯，盡心盡力地培育著一代又一代青年人才。“任院士的培養方式不是事無巨細地、手把手地教你，他是盡自己所能為你提供一個‘舞臺’，在背后默默地支持你。他十分尊重學生的想法，你可以根據自己的興趣做自己想做的事，你會有很大的自主性，而他就是在你需要的時候，為你提供幫助。”路璐說道。

如今，路璐也已成長為一位合格的，可以傳道、授業、解惑的青年教師。他繼承了任南琪院士的教學風格，在學生培養方面更注重學生的自主性和獨立性。在團隊建立初期，他花了大量的時間來了解學生的興趣和想法、優勢和劣勢，幫助他們找到最適合自己的位置。

在路璐看來，對研究生的培養，老師不必事必躬親，要充分發揮學生的自主能動性，讓他們學會“學習”，學會解決問題，而不是“填鴨式”地只會學習。每周他都會和學生進行交流，及時了解學生的動態和需求，從大方向上幫助學生把控，而技術方面的細節問題，他會讓學生先嘗試自己解決，然后他再出手相助。

“另外，在和學生相處的過程中，你不能太權威，這樣的話，學生有什么問題會不敢跟你說。”路璐和學生相處時，從來沒有架子，聊天的內容不局限于科研上的工作，還有生活中的各方面。也因為如此，在路璐和學生之間有一種輕松的氛圍，與其說他們是師生，其實他們更像朋友和伙伴。

除此之外，路璐還十分注重培養學生們的團隊合作精神，他說：“環境工程是一個交叉學科，你不可能把所有學科都摸索透徹，所以合作很重要，這樣大家才能擰成一股繩，真正地在這個領域做出好的成果。”

凡是過往,皆為序章；凡是未來,皆有可期。路璐回國后，一切都處于起步階段，一方面，他希望盡快把課題組運轉起來，承接更多的研究項目；另一方面，他希望立足深圳這塊創業沃土，通過“產學研”結合，能盡快實現成果的落地轉化。因此，回國至今，他一直處于十分忙碌的狀態。所幸，對路璐來說，科研既是工作，也是興趣，每一份忙碌里都藏著他對未來的向往。