近日，南方科技大学环境科学与工程学院助理教授雷洋团队构建了一类基于矿物-电化学耦合的同步碱化与氧化（EAO）系统。该系统通过在阳极引入硅灰石，可在无膜条件下同步实现尿液中磷的高效回收与尿素稳定化，为尿液资源化提供了一种绿色、经济的解决方案。相关成果以“Mineral‑integrated electrochemical system enabling membrane‑free pH swing and active chlorine species generation for urine valorization”为题发表在 Nature Communications。

尿液在生活污水中的体积占比虽不足1%，却富集了大量氮、磷等营养元素，因而具有极高的资源化价值。然而，尿液排出后，脲酶会迅速催化尿素水解，造成氮素损失、管道结垢和异味等问题。传统酸化或投加碱剂的稳定方法存在化学品使用与安全风险；而传统膜电化学系统则易受制于膜污染及高昂成本。针对上述问题，研究团队设计了EAO系统，利用多孔网兜将惰性阳极与硅灰石矿物进行耦合。通电后，阳极析氧反应产生的H⁺促进硅灰石溶解并释放Ca²⁺；阴极析氢反应持续生成OH⁻，使溶液pH迅速升高。与此同时，阳极析氯反应产生的活性氯物种可有效抑制脲酶活性。在高碱度与活性氯物种的协同作用下，系统能够同步促进磷酸钙沉淀，并实现尿素稳定化（图1）。

图1 电化学碱化与氧化系统同步实现磷回收与尿素稳定化 (a) EAO体系与未处理对照中pH、磷、钙和尿素浓度变化；(b) 30天储存期内电导率、磷、总氨氮和尿素浓度的变化；(c) 尿素分解率对比；(d) 回收产物的拉曼光谱（白色沉淀为磷酸钙）；(e) 回收产物的扫描电镜图像；(f) EAO反应器构型及工作原理

实验结果表明，经6小时处理后，合成尿液中磷酸盐浓度由9.7降至0.1 mM，去除率达到99.1%。在30天储存期内，经EAO处理的尿液尿素水解率仅为6.6%，而未经处理尿液尿素水解率高达92.0%，充分验证了该系统在磷回收和尿素稳定化方面的协同能力与高效性。

图2 EAO系统处理真实尿液的性能及经济性评估 (a) 针对真实尿液的磷回收性能；(b) 储存期内的尿素稳定化表现；(c) 与已报道尿液资源化技术在稳定时长和产物含磷量上的对比；(d) 基于当前反应器运行条件的技术经济分析；(e-f) 面向实际应用场景的尿液电化学稳定化与资源回收示意图

团队进一步考察了EAO系统针对真实源分离尿液的处理能力及经济优势。结果显示，在电流密度为12 A m^-2、尿液稀释2倍的条件下，系统具有最佳能耗效率。对于未稀释尿液（无水/节水便池场景）和稀释5倍尿液（公共便池场景），通过调整电解时间，同样能够实现磷的高效去除和尿素的长期稳定。真实尿液实验中，磷回收率最高可达96.0%，尿素稳定期可维持10天以上（图2）。

技术经济分析表明，EAO系统的总成本约为4995美元，其中运输与电力消耗为主要成本项。按磷回收量核算，单位磷回收成本约为2.51美元·kg⁻¹ P，与低能耗微生物电化学技术成本相当。该系统无需配置膜组件和牺牲阳极，因而可显著减少维护频次并降低运行风险。回收所得的磷酸钙产物中，磷含量达15.8%，且其生物有效性优于商用羟基磷灰石，具备用作肥料或高附加值原料的潜力。同时，该系统还为后续高值化利用尿液中的尿素提供了新的技术路径。磷资源与尿素的高效协同回收，大幅提升了该技术的综合应用前景。

南方科技大学环境科学与工程学院2026届硕士毕业生罗巨为论文第一作者，雷洋为论文通讯作者，环境科学与工程学院詹铮铄、李炜权、何灵瑜为研究做出重要贡献。南方科技大学为论文唯一单位。该研究得到了广东省基础与应用基础研究基金、深圳市科技计划项目、深圳市城市环境健康风险精密测量与预警技术重点实验室以及启动基金的联合资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-77732-5

供稿：环境科学与工程学院

通讯员：周亦潆

编辑：曾昱雯