基于源分離人尿的資源化利用技術(shù)研究進(jìn)展

于廣泉，鄭向群，魏孝承，成衛(wèi)民，張春雪，楊波，徐艷

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191）

世界人口增長(zhǎng)和農(nóng)作物生長(zhǎng)需求增加了肥料消耗[1]。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）報(bào)告統(tǒng)計(jì)，2015—2018 年，世界對(duì)化肥[氮（N）肥，磷（P）肥，鉀（K）肥]的需求量平均每年增長(zhǎng)1.8%，化肥消耗量平均每年增加約3.35×106t。預(yù)計(jì)到2100 年，世界人口將達(dá)到112 億，且這一趨勢(shì)將繼續(xù)上升[2]。對(duì)化肥需求的增加不僅會(huì)影響到原材料的供應(yīng)，還會(huì)影響到溫室氣體的排放和水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況。事實(shí)上，目前世界主要能源消耗的1%～2%源于氨肥生產(chǎn)（2008 年為1.3×108t）。作為副產(chǎn)品，每產(chǎn)生1 t氨，就會(huì)釋放出2～3 t二氧化碳。因此，氨生產(chǎn)行業(yè)產(chǎn)生的溫室氣體約占全球溫室氣體排放的0.93%[3]。與此同時(shí)，作為P 肥主要來(lái)源的高質(zhì)量、高品位P礦資源正在趨向枯竭。然而，P消耗率的預(yù)測(cè)結(jié)果各不相同，2018 年的一項(xiàng)研究估計(jì)，到2100 年，資源消耗將達(dá)到20%～60%[4]。據(jù)預(yù)測(cè)，經(jīng)濟(jì)上可行的P 礦儲(chǔ)量將在大約100 年內(nèi)耗盡。與此同時(shí)，全球K 礦分布不均將給缺K 國(guó)家的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)重大風(fēng)險(xiǎn)[5-6]。

目前關(guān)于尿液的處理利用主要有兩種途徑：一是經(jīng)化糞池排入污水管網(wǎng)，最終進(jìn)入污水處理廠[7]；二是和糞便一起經(jīng)化糞池處理或單獨(dú)收集后還田[8]。然而，隨著對(duì)尿液研究的不斷深入，尿液的價(jià)值逐漸被發(fā)現(xiàn)。在人類(lèi)排泄物中，尿液是N、P、K 的主要貢獻(xiàn)者，貢獻(xiàn)率分別為88%、67%、73%[9]。人類(lèi)尿液被認(rèn)為是一種可再生的營(yíng)養(yǎng)資源[10]。尿液源分離，即利用單獨(dú)設(shè)置的小便器或糞尿分集式便器將尿液?jiǎn)为?dú)收集起來(lái)，并進(jìn)行處理和資源回收利用，該方法引起了越來(lái)越多研究者的關(guān)注[11]。在城市污水中，尿液只占廢水總量的1%，其N(xiāo)、P、K 量卻占廢水中總N 的75%～87%、總K 的50%～90%、總P 的40%～50%[12]。從可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，尿液源分離技術(shù)的應(yīng)用能夠更好地管理家庭廢水和分散的衛(wèi)生設(shè)施，尿液分離不僅可以顯著降低城市污水處理廠和下游污水接受水體的負(fù)荷，還能回收N、P、K 等營(yíng)養(yǎng)成分，生產(chǎn)出合適的產(chǎn)品[13]。近年來(lái)，很多國(guó)家特別是缺乏衛(wèi)生設(shè)施和肥料工業(yè)的發(fā)展中國(guó)家，對(duì)人尿資源化利用技術(shù)進(jìn)行了大量研究[14]。研究顯示，如能充分回收或再利用人尿中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，將可以滿(mǎn)足全球三分之一的N需求和五分之一的P 需求[15]。但是目前國(guó)內(nèi)對(duì)人尿資源化利用的研究較少，關(guān)于資源化利用技術(shù)的可行性和實(shí)際工程應(yīng)用的難點(diǎn)尚不清晰。

本文以源分離尿液為研究對(duì)象，綜述不同尿液資源化處理技術(shù)的研究進(jìn)展，分析每種處理技術(shù)的處理原理及其在不同條件下回收尿液中營(yíng)養(yǎng)成分的優(yōu)劣勢(shì)，以期為不同環(huán)境條件下的尿液資源化利用尋求合適的處理方法，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)其回收利用價(jià)值。

1 人尿的成分

尿液的成分因人而異、因地區(qū)而異，這取決于人的飲食習(xí)慣、飲水量、體型、體育活動(dòng)和環(huán)境因素等[16]。據(jù)報(bào)道，大多數(shù)發(fā)展中國(guó)家的人類(lèi)尿液中的N含量可能低于工業(yè)國(guó)家，因?yàn)樗厥筹嬍潮裙I(yè)國(guó)家的混合飲食含有更少的蛋白質(zhì)[17]。貯存后尿液的主要理化特性和化學(xué)成分見(jiàn)表1。從化學(xué)成分來(lái)看，人的尿液是一種富N 的水溶液，其中尿素占尿中總N 的75%～90%[18-19]，同時(shí)含有少量的尿酸、氨基酸和其他物質(zhì)[20]。尿液中大部分N 與尿素或氨肥一樣，易于被作物吸收，其N(xiāo) 利用效率相當(dāng)于同類(lèi)無(wú)機(jī)肥料的90%[21]。人體尿液除含有大量的N、P、K外，還含有B、Cu、Zn、Mo、Fe、Co、Mn等微量元素[22]。

表1 人尿液的主要理化性質(zhì)及組成成分Table 1 Physico-chemical properties and composition of human urine

2 人尿資源化處理技術(shù)的利用現(xiàn)狀

2.1 農(nóng)田利用

近年來(lái)，尿液的農(nóng)業(yè)利用技術(shù)已被一些國(guó)家（主要是北歐和非洲）廣泛用于作物的有效種植[32]。人尿中病原體含量非常低，同時(shí)卻含有大量植物生長(zhǎng)所必需的主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如N、P、K、Ca、S、Mg等，可補(bǔ)充或替代合成肥料用于作物生產(chǎn)[21，33]。研究表明如果在20 ℃或更高的溫度下儲(chǔ)存2～6個(gè)月，尿液可以直接作為農(nóng)業(yè)的液體肥料[25，34]。尿液中90%～100%的N 主要以尿素或銨鹽的形式存在，尿液中的尿素/銨與人工肥料中的尿素/銨相似，并且已在施肥試驗(yàn)中得到證實(shí)，尿液中高濃度的N 可使作物充分生長(zhǎng)。近年來(lái)，許多研究者對(duì)人尿作為作物肥料進(jìn)行了試驗(yàn)，并取得了一些進(jìn)展。與合成肥料相比，用尿液作液體肥料可增加黃瓜、白菜和莧屬植物的單產(chǎn)，表明尿液也可以為植物提供必需的營(yíng)養(yǎng)[35-37]。同時(shí)，隨著對(duì)尿液研究的不斷深入，尿液還田的好處不斷被發(fā)現(xiàn)，農(nóng)民對(duì)尿液還田的接受度也不斷提高。瑞士的一項(xiàng)調(diào)查顯示，有42%的農(nóng)民愿意購(gòu)買(mǎi)尿液衍生的肥料產(chǎn)品[38]。美國(guó)大約有一半的三年級(jí)學(xué)生愿意用尿液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[39]。

為保證農(nóng)田利用安全有效，尿液必須經(jīng)過(guò)貯存處理之后再進(jìn)行還田。人尿的貯存過(guò)程也就是腐熟的過(guò)程，一是確保尿液中致病菌的無(wú)害化，二是通過(guò)腐熟過(guò)程分解有害的污染物[27]。貯存尿中的N 主要以氨態(tài)N的形式存在，以碳酸氫鹽為主要陰離子。由于有機(jī)質(zhì)逐漸分解，氨態(tài)N不斷增加，且氨的揮發(fā)性大，很容易導(dǎo)致N 素丟失，降低肥效[40]。研究表明，貯存方法不當(dāng)可導(dǎo)致N 損失高達(dá)60%～90%[41]。因此收集后的尿液必須加蓋密封保存，以防止N 素?fù)p失。另外，對(duì)于特殊人群的尿液，如長(zhǎng)期服用治療心血管疾病或癲癇病藥物人群的尿液[42-43]，必須經(jīng)過(guò)其他特殊處理后方可進(jìn)行利用。因?yàn)檫@類(lèi)人群服用的藥物大多是通過(guò)尿液（部分是通過(guò)糞便）以未改變的原化合物或代謝物形式排出[44-46]，無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單的貯存處理進(jìn)行分解，這類(lèi)尿液的施用將導(dǎo)致藥物殘留，造成有害成分在農(nóng)田累積的風(fēng)險(xiǎn)[47]。

2.2 N回收

在水環(huán)境中，N 是一種主要的污染物，N 濃度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，引發(fā)藻類(lèi)大量繁殖、魚(yú)類(lèi)死亡等問(wèn)題[48]。N 污染在我國(guó)也很普遍。據(jù)報(bào)道，自20世紀(jì)80 年代中期以來(lái)，我國(guó)大部分省份水體的N 含量已超過(guò)地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)臨界值（1 mg·L-1，以N計(jì)）。目前全國(guó)N 的年排放量約（14.5±3.1）×106t，城市污水排放量占總排放量的21%以上[49]。人類(lèi)尿液是城市污水中最大的營(yíng)養(yǎng)物來(lái)源。在生活廢水中，大約80%的N、50%的P 和90%的K 來(lái)自于人尿[50]。人尿混入生活污水一同排入污水處理廠，將增加污水的N 負(fù)荷，而為獲得更高的脫N 效率，污水處理廠的建設(shè)成本和運(yùn)行成本將隨之增加[51-52]。因此，從源分離的尿液中回收N，用作固體/液體肥料，可以減少污水處理廠污水中N的負(fù)荷，為污水高效處理提供了一個(gè)有前景的解決方法[53]。N回收的主要技術(shù)及特點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 人尿液氮回收技術(shù)Table 2 Nitrogen recovery technology for human urine

2.2.1 離子交換技術(shù)

離子交換（Ion exchange，IE）技術(shù)原理是在尿液貯存過(guò)程中將以尿素形式存在的N 水解成銨保留在離子交換吸附劑帶負(fù)電荷的位置上。載有的陽(yáng)離子交換吸附劑可以直接用作固體肥料（當(dāng)吸附劑為天然來(lái)源時(shí)）或再生用于生產(chǎn)液態(tài)肥料和可重復(fù)使用的吸附劑[54]。斜發(fā)沸石是一種天然的對(duì)銨具有高親和力的離子交換劑，聚合大分子交換劑同樣適用[60]。研究表明，與直接排入污水處理廠的處置方式相比，通過(guò)離子交換處理尿液的成本要低40%，而且用尿液生產(chǎn)硫酸銨的成本遠(yuǎn)低于商業(yè)肥料的市場(chǎng)成本[54]。離子交換技術(shù)的適用范圍很廣，從單個(gè)洗手間或家庭規(guī)模到集中式尿液收集站均適用。

2.2.2 膜蒸餾技術(shù)

膜蒸餾（Membrane distillation，MD）是一種熱驅(qū)動(dòng)的分離過(guò)程，驅(qū)動(dòng)力是疏水膜兩端的溫差引起的蒸汽壓力差。該技術(shù)應(yīng)用范圍較廣，如脫鹽、廢水處理和食品工業(yè)[61]。MD 也是一種有效的濃縮尿液的脫水工藝，它比蒸發(fā)過(guò)程所需要的能量更少，而與反滲透過(guò)程相比，其膜污染的風(fēng)險(xiǎn)更低[55]。此外，如果利用工廠產(chǎn)生的廢熱或太陽(yáng)能熱源，MD 工藝的成本可以降至更低。在MD 系統(tǒng)中，蒸汽分子可以通過(guò)疏水性微孔膜，而非揮發(fā)性物質(zhì)從理論上完全被截留[62]。MD 工藝通過(guò)脫水來(lái)濃縮進(jìn)料側(cè)的氨和硝酸鹽成分。但是，源分離人尿的高氨濃度和堿性條件增加了高揮發(fā)性游離氨含量，且隨之導(dǎo)致大量的游離氨通過(guò)滲透MD 膜的疏水性微孔進(jìn)行轉(zhuǎn)移。因此，MD 工藝的應(yīng)用也僅僅限于基于膜的氨吹脫（在滲透?jìng)?cè)濃縮NH4+），用以從高濃度氨廢水（如源分離的人類(lèi)尿液或豬糞）中回收氨[63-65]。

2.2.3 正向滲透技術(shù)

正向滲透（Forward osmosis，F(xiàn)O）是一種依靠半透膜分開(kāi)的兩種溶液之間的滲透壓差驅(qū)動(dòng)水分子傳輸?shù)倪^(guò)程。由于溶質(zhì)無(wú)法通過(guò)膜進(jìn)行擴(kuò)散，因此低濃度溶液中的水會(huì)流向高濃度溶液并將其稀釋?zhuān)钡竭_(dá)到熱力學(xué)平衡為止[66]。另外，當(dāng)肥料用作高濃度溶液時(shí)，稱(chēng)為肥料驅(qū)動(dòng)正向滲透，最終的稀釋溶液可直接用于灌溉[56]。由于正向滲透中水分子是通過(guò)擴(kuò)散而不是對(duì)流進(jìn)行傳輸，所以正滲透膜比反滲透膜更抗污染，但該技術(shù)的主要缺點(diǎn)是離子在高濃度溶液中會(huì)反向擴(kuò)散到低濃度溶液中，即產(chǎn)生反向鹽通量（Reverse salt flux，RSF）。這是由于所用的正向滲透膜為非理想型，即離子排斥不是100%[56]。

2.2.4 吹脫法

吹脫法（Vacuum stripping，VS）是一種物理化學(xué)處理工藝，在此工藝中，液體混合物與空氣接觸，通過(guò)液相到氣相的傳質(zhì)作用去除揮發(fā)性組分[67]。吹脫法回收源分離尿液中的氨也得到了廣泛研究。LIU等[68]采用改進(jìn)的雙膜模型評(píng)估吹脫法回收源分離尿液中的氨，結(jié)果表明，提高空氣流速和溫度可以降低單元操作成本，而高pH 值會(huì)導(dǎo)致化學(xué)物質(zhì)投入增加而使單元操作成本升高。TIAN 等[57]采用真空熱吹脫與酸吸收相結(jié)合的預(yù)處理工藝從水解尿液中以硫酸銨的形式回收氨，結(jié)果表明，在60 ℃、21.3 kPa 且不調(diào)節(jié)pH 值的條件下，3 h 批式吹脫實(shí)驗(yàn)從水解尿液中回收80%N獲得的最大氨傳質(zhì)系數(shù)為17.6 mm·h-1，相應(yīng)的N 回收負(fù)荷率為36 kg·m-3·d-1（以N 計(jì)）。該技術(shù)的經(jīng)濟(jì)評(píng)估結(jié)果表明，從1 m3尿液中回收/去除營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以獲得2.01元的利潤(rùn)。

2.2.5 微生物燃料電池技術(shù)

微生物燃料電池（Microbial fuel cell，MFC）是一項(xiàng)應(yīng)用廣泛的新興技術(shù)[69]。在尿液銨鹽回收過(guò)程中，用MFC 作為氣體擴(kuò)散陰極，銨離子的遷移和氨氣的擴(kuò)散導(dǎo)致銨離子向陰極傳輸。在陰極室中，銨離子因高pH值被轉(zhuǎn)化成氨氣，隨后在氣-液臨界點(diǎn)通過(guò)揮發(fā)被酸液吸收（圖1）。KUNTKE 等[58]的研究指出，在電流0.50 A·m-2的條件下，銨鹽的回收率為3.29 g·d-1·m-2（以N 計(jì)）。研究表明，MFC 回收銨比傳統(tǒng)氨吹脫更有優(yōu)勢(shì)。通過(guò)MFC 回收銨過(guò)程中曝氣所需要的能量更少[70]。MFC 反應(yīng)可以產(chǎn)生能量且不需添加CaO（或NaOH），而氨吹脫必須添加這類(lèi)物質(zhì)。但是MFC回收銨有一點(diǎn)不足，其產(chǎn)生的電子只有31%用于銨的運(yùn)輸，這限制了可以傳輸?shù)匿@的總量[58]。

圖1 微生物燃料電池技術(shù)回收銨的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[58]Figure 1 Schematic diagram of the experimental device for recovering ammonium by microbial fuel cell technology

2.2.6 電化學(xué)技術(shù)

電化學(xué)（Electrochemistry,EC）技術(shù)的原理是通過(guò)提供足夠高的電流使水在陽(yáng)極氧化（產(chǎn)生氧氣和質(zhì)子），在陰極還原（產(chǎn)生氫氣和羥基），最終形成沒(méi)有緩沖區(qū)的酸性陽(yáng)極和堿性陰極。該電流驅(qū)動(dòng)陽(yáng)離子從陽(yáng)極向陰極以電遷移的形式穿過(guò)陽(yáng)離子交換膜（Cation exchange membrane，CEM）。因此，NH4+可以從陽(yáng)極轉(zhuǎn)移至陰極，在高pH 環(huán)境中容易轉(zhuǎn)化為NH3（隨H2一起），便于用氣流將其吹脫。持續(xù)不斷地去除氨使得從陽(yáng)極流出的銨離子流量恒定，因?yàn)榇┻^(guò)膜的氨氮濃度梯度保持不變。然后，吹脫氣體通過(guò)一個(gè)酸阱或其他僅能捕獲NH3的方式（如冷凝），并濃縮為高純度銨產(chǎn)品[59]。LUTHER 等[59]采用EC 處理尿液并結(jié)合氨吹脫和硫酸吸收形成（NH4）2HSO4并計(jì)算氨回收率，結(jié)果表明，TN 的回收率達(dá)到57%±0.5%。電化學(xué)提取法從含高濃度氨的復(fù)雜廢水中回收氨是一種很有前景的技術(shù)，但目前還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，在處理源分離尿液方面還需要進(jìn)一步研究。

2.3 P回收

P 是所有生物體必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展至關(guān)重要。隨著全球人口的增長(zhǎng)和壽命的延長(zhǎng)，人們需要更多的食物，而種植作物所需要的P 肥及其主要依賴(lài)的P 礦儲(chǔ)量正在迅速減少[71]。相反，目前人類(lèi)社會(huì)中以不可持續(xù)的P 流動(dòng)模式通過(guò)人類(lèi)垃圾向環(huán)境排放了過(guò)量的P，導(dǎo)致了全球范圍內(nèi)的水體富營(yíng)養(yǎng)化。為了保障糧食安全、維持社會(huì)可持續(xù)性發(fā)展，我們必須回收目前在人類(lèi)活動(dòng)循環(huán)中所丟失的P[72]。許多學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了從各種廢棄物中回收P 的研究，如食物鏈廢物（如農(nóng)作物再利用）中的殘?jiān)?、食物垃圾和人?lèi)垃圾（糞便和尿液）[73-74]，而尿液被認(rèn)為是最有前景的一個(gè)選擇[75]。回收和再循環(huán)P 不僅節(jié)省有限的P 資源，而且減少富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生，進(jìn)一步減少對(duì)水環(huán)境和人類(lèi)健康的危害[76]。廣泛的研究和實(shí)際應(yīng)用表明，隨著現(xiàn)代糞尿分集廁所和無(wú)水小便器的應(yīng)用，從分離尿液中回收P 的可能性顯著提升[77]。P 回收的主要技術(shù)及特點(diǎn)見(jiàn)表3。

表3 人尿液磷回收技術(shù)Table 3 Phosphorus recovery technology for human urine

2.3.1 鳥(niǎo)糞石沉淀技術(shù)

在P 回收技術(shù)中，鳥(niǎo)糞石（MgNH4PO4·6H2O）沉淀是一種可行且最常用的方法，鳥(niǎo)糞石沉淀過(guò)程可回收約99%的P[78]。其中鳥(niǎo)糞石是由可溶性正磷酸鹽、鎂（Mg2+）按摩爾比1∶1∶1 進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)沉淀而成[71]。鳥(niǎo)糞石還是一種不含微污染物的固體緩釋肥料，可以從尿液中產(chǎn)生。這種生態(tài)肥料可以補(bǔ)充或部分替代傳統(tǒng)化肥，以滿(mǎn)足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)P 的需求[81]。然而，由于鳥(niǎo)糞石沉淀反應(yīng)必須用鎂來(lái)誘導(dǎo)，而金屬鎂價(jià)格比較昂貴，因此該沉淀反應(yīng)成本很高。近年來(lái)，廉價(jià)的替代沉淀劑，如鹵水、草木灰和預(yù)處理菱鎂礦等已被報(bào)道，但它們的可用性差、沉淀效率低和易產(chǎn)生污染等缺點(diǎn)限制了其推廣應(yīng)用[82]。

2.3.2 海水和反滲透鹽水沉淀技術(shù)

目前研究較多的離子沉淀回收源分離尿液中P的技術(shù)主要是海水和反滲透（RO）鹽水沉淀技術(shù)[79]。海水中含有大量的Mg 離子，在沿海區(qū)域已被廣泛用于P沉淀實(shí)驗(yàn)研究。在此類(lèi)研究中，對(duì)于水解尿液，P在不同海水尿液比例下回收率均超過(guò)90%。但是由于運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)，對(duì)于大多數(shù)地處內(nèi)陸的城市來(lái)說(shuō)可行性較差。

反滲透過(guò)程中，反滲透膜在高壓下運(yùn)行產(chǎn)生含鹽量低的濾液，同時(shí)將大多數(shù)礦物成分提煉至較小體積的濃縮廢液中，即反滲透鹽水。由于反滲透鹽水中無(wú)機(jī)離子的含量很高，尤其是高價(jià)陽(yáng)離子，因此有可能成為一種很有前景的除磷劑。TIAN 等[79]通過(guò)批次和連續(xù)流實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在pH=9.0、反滲透鹽水與尿液體積比為1∶1 的條件下，新鮮尿液和水解尿液中P 的回收率均在90%以上。另外，反滲透鹽水本身的處理就是一個(gè)難題，現(xiàn)有處理技術(shù)（如閃蒸等）能耗高，給火電廠帶來(lái)巨大的成本負(fù)擔(dān)[83-84]。因此，反滲透鹽水用于回收P 不僅解決了其本身的處理難題，而且實(shí)現(xiàn)了資源化利用。

2.3.3 吸附技術(shù)

吸附技術(shù)是通過(guò)選擇性吸附劑將酸性或堿性條件下尿液中P 進(jìn)行回收的方法。有研究者采用聚合物-無(wú)機(jī)雜化陰離子交換（HAIX）樹(shù)脂和天然黃土分別在pH=6 和pH=9 的條件下，對(duì)新鮮尿液和水解尿液進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這些吸附材料對(duì)尿液中P 的吸附量較低（＜10 mg），且?guī)状挝街笪絼┑目芍貜?fù)利用性難以保證[85-86]。GUAN 等[80]提出了一種用含水氧化鋯包裹的磁性納米顆粒（Fe3O4@ZrO2）組成的磁性材料從pH=4 的酸化尿液中回收P 的替代方法，這一技術(shù)包括易于分離和再生的Fe3O4@ZrO2對(duì)磷酸鹽選擇性吸附、磷酸鹽的解析、解析的磷酸鹽以磷酸鈣形式沉淀等過(guò)程[87]。吸附相對(duì)于沉淀的優(yōu)勢(shì)在于：①尿液中的其他成分會(huì)干擾沉淀過(guò)程，而吸附過(guò)程基本不受干擾。以磷酸鎂鉀（MgKPO4）的析出為例，銨根離子、鈣離子和鈉離子都會(huì)干擾沉淀的形成，因此應(yīng)先去除銨根離子，并尋找一種替代的堿性化合物來(lái)調(diào)節(jié)pH，而不是直接用NaOH。但是，無(wú)論尿液中是否存在其他組分，吸附劑對(duì)P 的選擇性吸附都是可以實(shí)現(xiàn)的；②沉淀需要在適當(dāng)?shù)膒H 值條件下有正確的反應(yīng)物配比，而吸附過(guò)程添加過(guò)量的吸附劑不會(huì)造成吸附劑材料的浪費(fèi)，因?yàn)樗梢员换厥赵倮?。但是其缺點(diǎn)是吸附最終會(huì)達(dá)到飽和，之后吸附劑材料將不再發(fā)揮作用。在這方面，解吸被吸附的磷酸鹽和再生的吸附劑進(jìn)一步使用是必不可少的[80]。

2.4 K回收

K 是農(nóng)業(yè)肥料中重要的營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充物，主要來(lái)源于K 礦，預(yù)計(jì)全球K 需求量將從2019 年的3.95×105t 增加到2023 年的4.57×107t[88]。然而，全球K 的主要供應(yīng)國(guó)，如加拿大、俄羅斯和土庫(kù)曼斯坦的供應(yīng)量卻難以滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。因此，從源分離的尿液中提取K引起了廣泛關(guān)注，特別是那些缺乏K 礦的國(guó)家。此外，從尿液中回收K和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)還可以平衡處理城市污水所需的能量和成本[89]，大大增加了尿液資源化利用技術(shù)探索的價(jià)值。流化床結(jié)晶（FBC）工藝能夠回收結(jié)晶或顆粒狀固體物質(zhì)[90]。隨著Ca 或Mg 的加入，P 和K 可以三元化合物[MgKPO4·6H2O，Mg3（PO4）2·22H2O，Mg3（PO4）2·8H2O]的形式被回收。沉淀效果越好，F(xiàn)BC 工藝消耗的化學(xué)物質(zhì)量越少，同時(shí)通過(guò)形成低含水率的顆粒，避免了大量富水污泥的產(chǎn)生，而這些顆?？梢赃M(jìn)一步作為緩釋肥料用于農(nóng)業(yè)和園藝[91]。然而，F(xiàn)BC 的結(jié)晶過(guò)程需要種子材料（如二氧化硅或氧化鋁），種子材料是低含水率顆粒雜質(zhì)的主要來(lái)源。種子材料的添加也大大增加了K 回收的成本，不利于實(shí)際的工程推廣。

流化床均質(zhì)結(jié)晶（FBHC）工藝是FBC工藝的改進(jìn)型，在FBHC 中不需要種子材料，在溫和的過(guò)飽和條件下，細(xì)核團(tuán)聚體的均質(zhì)結(jié)晶可以得到高純度的晶體顆粒。FBC 和FBHC 的結(jié)晶過(guò)程可分為均質(zhì)結(jié)晶（有種子材料）或異質(zhì)結(jié)晶（無(wú)種子材料）。異質(zhì)結(jié)晶是指晶粒生長(zhǎng)是通過(guò)將過(guò)飽和物質(zhì)沉淀到雜質(zhì)顆粒表面（通常是氧化硅或氧化鋁）實(shí)現(xiàn)。相比之下，均質(zhì)結(jié)晶沒(méi)有雜質(zhì)顆粒，晶粒通過(guò)在亞穩(wěn)態(tài)溶液中原子核相互碰撞增大。造粒過(guò)程使充分流化的均相顆粒不斷增大，即流化床均質(zhì)結(jié)晶過(guò)程。FBHC 可以將沉淀物轉(zhuǎn)化為高純度、低含水率的顆粒狀物質(zhì)[91]，最終可以用作農(nóng)業(yè)和園藝緩釋肥料。

2.5 提取生化藥品

近年來(lái)，利用尿液提取制作生化藥品的技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注，這是一項(xiàng)變廢為寶、造福于人的舉措。人尿中含有多種活性物質(zhì)，如尿激酶、激肽釋放酶、親纖維蛋白尿激酶-抑制劑復(fù)合物、抗癌物質(zhì)等[92]。目前，在我國(guó)利用的尿液中，男性尿液主要用于提取尿激酶（UK），女性尿液主要用于提取絨毛膜促性腺激素（UCG）[93]。尿激酶是一種能使纖維蛋白原活化并生成具有溶解性纖維蛋白能力的纖維蛋白溶解酶，適用于各種血栓病及心肌梗死等疾病的臨床治療。尿激酶可以從新鮮的健康男性尿液中經(jīng)分離提純制得[94]。最近研究表明，尿激酶與抗癌藥物并用，可以大大提高抗癌藥物的療效[95-96]。目前從人尿中提取尿激酶的方法主要有吸附法、超濾法、離子交換法等，但以上方法均存在周期長(zhǎng)、工藝過(guò)程復(fù)雜、耗能高、回收率低等問(wèn)題[97-98]。絨毛膜促性腺激素是一種存在于孕婦血液及尿液中的促性腺激素，其生物活性類(lèi)似于促黃體生成激素，由胎盤(pán)滋養(yǎng)葉外層細(xì)胞合成[99]。目前，從人尿中提取絨毛膜促性腺激素的方法主要有Got法改良工藝、高嶺土吸附工藝等[93]，尿液中的許多生化藥物具有特殊療效，因此積極開(kāi)發(fā)此資源不但可滿(mǎn)足臨床用藥需求，且可出口創(chuàng)匯。

3 結(jié)論與展望

人尿中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，目前源分離人尿的資源化利用技術(shù)主要包括農(nóng)田利用技術(shù)、N 回收技術(shù)、P 回收技術(shù)、K 回收技術(shù)及生化藥品提取等技術(shù)，這些技術(shù)的應(yīng)用可以減少因尿液直接排放所造成的水體富營(yíng)養(yǎng)化、魚(yú)類(lèi)死亡等環(huán)境污染問(wèn)題，同時(shí)還可以回收尿液中的N、P、K 等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)資源再利用。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)源分離人尿資源化利用技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，雖然取得了一定的效果，但目前研究中仍存在一些問(wèn)題，需要進(jìn)一步深入探討。今后，源分離人尿資源化利用技術(shù)研究還需從以下方面重點(diǎn)開(kāi)展：

（1）我國(guó)作為人口大國(guó)，人尿資源豐富，蘊(yùn)含著巨大的綜合利用潛質(zhì)。開(kāi)展源分離人尿資源化利用技術(shù)研究并建立示范工程，不僅有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，而且是防止廁所糞污污染、改善人居環(huán)境質(zhì)量的重要措施。特別是在我國(guó)廣闊的農(nóng)村地區(qū)，將人尿有效地替代合成肥料，不但能夠降低種植成本，還能改善環(huán)境質(zhì)量。因此，人尿用作液體肥料很可能將是今后的趨勢(shì)。

（2）N 的資源化回收利用的主要技術(shù)都是物理工藝，因此需要借助外力從人尿中提取N，導(dǎo)致能量消耗巨大。今后N 提取工藝可與發(fā)電廠的鍋爐蒸汽相結(jié)合，這樣既可以利用發(fā)電廠產(chǎn)生的額外勢(shì)能從人尿中提取N，又可以節(jié)省N提取所消耗的其他資源。

（3）P 的資源化回收利用主要為沉淀和吸附兩種工藝。沉淀工藝操作簡(jiǎn)單，且可以直接生成鳥(niǎo)糞石，作為緩釋肥料補(bǔ)充或替代部分化肥。但沉淀反應(yīng)過(guò)程中需要添加鎂來(lái)誘導(dǎo)反應(yīng)，而金屬鎂價(jià)格昂貴。因此，研發(fā)低成本、易獲得且P 回收率高的替代沉淀劑將是該技術(shù)在實(shí)際工程推廣應(yīng)用中需要突破的方向。