近日，国地中心赵敏教授领衔的分散式污水与流域生态治理团队在《Water Research》上发表题为“Fertilizer recovery from source-separated urine by evaporation with a combined process of dehumidification and the addition of absorbent resin supplement ”的论文。

研究内容介绍：

人类尿液既是一种废物，也是一种高质量的液体肥料，含有大量动植物生长所必需的营养物质如氮、磷、钾等。随着矿产资源匮乏，尿液中的营养物质具有极高的资源化利用价值。而氮和磷的排放会导致淡水生态系统和沿海地区的富营养化，并且由于尿液含水量超过90%，是一种具有复杂化学性质的溶液，一旦它离开人体，流经尿素酶存在的小便器、厕所和管道，新鲜尿液就会迅速水解，造成氮损失。因此亟需开发一种有效脱除尿液水分并对其营养物质进行保留的低成本、高效能、易于维护、可资源化利用的尿液处理技术。

我院赵敏教授和郑向勇教授所在的分散式污水与流域生态治理团队，基于多年的分散式污水处理技术研究基础，研发源分离尿液除湿-吸水树脂耦合蒸发资源化处理工艺。在处理过程中，吸水树脂能快速吸收尿液，并通过除湿器收集系统中的水分，以保持恒定的干燥处理区域，形成高盐含量的处理区域进一步抑制了尿素的水解，最终收获了尿素晶体。该研究在40°C的低温下实现了95%的高水分蒸发效率以及92.2%的氮和100%的磷高营养物质回收率，晶体中含有的尿素、铵盐以及磷酸盐，是理想的农作物肥料。

图文摘要：除湿-吸水树脂耦合蒸发工艺资源化处理源分离尿液的过程。

图1 不同变量下的氮的质量：(a)温度、(b)湿度、(c)面积和(d)ARS填充率；Input是指初始尿样的TN质量；Output(S)是指固体产物的TN质量；Output(L)是指冷凝物的TN质量；黑线表示氮保留分数；灰色实线表示假设10%的TN损失。

为了研究尿液蒸发脱水装置的蒸发性能，在实验周期设定为96小时下，比较了不同参数和不同的原始样品下氮的保留情况，通过循环实验进一步研究了吸水树脂的可重复使用性并根据动力学实验和各种表征，确定了晶体的组成和作用原理。研究发现：(1)通过蒸发脱水结合除湿机和吸水树脂的组合工艺，成功实现了从无预处理源分离尿液中获得肥料。其最佳的工艺参数为温度40℃，湿度40%，面积460cm²/L尿液，100%填充率的吸水树脂/L尿液。(2)验证了系统应用于真实新鲜尿液的可行性，实现了真实新鲜尿液中95%的水分去除率，92.2%的氮回收率和100%的磷回收。吸水树脂具有良好的再利用效果，在7个循环的条件下，仍保留89.2%的氮和95.0%的磷。(3)吸水树脂不具有大量的吸附能力，总氮的平衡吸附量为18.7mg/g，氨氮为0.46mg/g，尿素为23.3mg/g，总磷为0.67mg/g。吸水树脂的吸收饱和状态下，总氮降解率仅为6.70%，其主要的氮保留过程是通过增加盐浓度来抑制脲酶活性。(4)系统对真实新鲜尿液处理后的固体产物主要包括CO(NH)2和NH₄Cl，是理想的作物肥料。(5)系统对真实尿液的处理成本为4.64±0.06元/L尿液，循环使用可有降低成本，7次循环下，其成本为2.19±0.43元/L尿液。

图2 表征：(a)XRD和(b)SEM图像。

主要贡献

世界上的磷矿只能用大约100年，生活污水中约97%的氮，90%的磷，70%的钾来自大小便，而大小便仅占生活污水体积的1%左右，在自给自足的农耕社会，人类从自然界获取食物后，氮磷钾通过排泄物就地回到自然界，实现小流域范围的物质循环利用，而自从有了工业化肥的普及和抽水马桶的大量推广利用，氮磷钾的闭环循环就被打破，一方面是外来氮磷化肥大量使用造成农业面源污染，另外一方面大小便被当作污染物，被冲水马桶一冲了之，由于污水管网质量的问题，通常生活污水只有一半到污水处理厂以耗电耗能处理方式被变成污泥无法资源化，另外一半通过管网渗滤到地下水地表水造成黑臭水体富营养化最终入河。本研究填补了通过吸水树脂快速吸收尿液中的大量水分，形成表面高盐浓度，抑制脲酶活性从而减少了未经预处理尿液在蒸发处理过程中的水解和氮流失问题，为源分离尿液的资源化提供了一种新的思路。项目的研究结果，对于将来的马桶革命、农业生产肥料革命等都起到了一定的推进作用，并有望促进相关产业的发展。

文章信息

相关研究成果发表于《Water Research》(SCI一区TOP期刊，IF = 12.8)，温州大学为第一通讯单位，2023届硕士生林晓静为第一作者，郑向勇教授为通迅作者，相关工作由国家社会科学基金重大项目“社会主义现代化先行区新农村生态友好型水环境治理体系构建”（项目批准号：21ZDA028）资助。原文：https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120865