李天昕，翁銳，徐新朋，程世昆，楊朕，李勇，李子富

（1.北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京市工業(yè)典型污染物資源化處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3.南京師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，江蘇省物質(zhì)循環(huán)與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京

210023）

人糞尿的不當(dāng)處置會(huì)帶來環(huán)境惡臭和水體污染的問題，同時(shí)增加環(huán)境中有害病原體的暴露風(fēng)險(xiǎn)[1]。據(jù)世界衛(wèi)生組織報(bào)道，2020年全球仍有23億人缺乏基本衛(wèi)生服務(wù)，46%的人口糞尿未能得到安全管理[2]。在下水道等基礎(chǔ)設(shè)施完善的國家和地區(qū)，人糞尿通常和其他污水混合排放進(jìn)入污水處理系統(tǒng)，但這種模式處理成本高且導(dǎo)致資源浪費(fèi)[3]。在大多數(shù)發(fā)展中國家，則是采用基于現(xiàn)場(chǎng)衛(wèi)生設(shè)施的多樣化且低成本的收集處理模式，但因缺乏有效的管理，人糞尿處理和利用率低。在集中排水管網(wǎng)沒有覆蓋的地區(qū)，仍存在糞便收集和處理量大、資源化利用水平低等問題。

過量施用化肥給環(huán)境帶來巨大壓力，如礦石資源枯竭、增加碳排放[4]，以及重金屬富集、面源污染[5]等問題，嚴(yán)重影響了糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。人糞尿是重要的有機(jī)肥源，富含N、P、K 等營養(yǎng)元素及有機(jī)質(zhì)[6]。據(jù)估算，我國人糞尿資源若被完全利用，其相當(dāng)于同期化肥消費(fèi)量的24.53%（N、P、K 含量分別相當(dāng)于同時(shí)期化肥消費(fèi)量的28.09%、18.32% 和25.53%）[7]，具有很大的化肥替代潛力。隨著農(nóng)村“廁所革命”的推進(jìn)，人糞尿資源化處理將成為關(guān)注的熱點(diǎn)。鑒于此，本文綜述了人糞尿還田前的主要處理技術(shù)，對(duì)技術(shù)的適用性、安全性及還田效應(yīng)進(jìn)行了述評(píng)分析，以期為人糞尿的資源化還田利用提供借鑒。

1 人糞尿的特征

1.1 人糞尿的產(chǎn)量及主要成分

影響人糞尿生成率和特征的因素主要有個(gè)人膳食結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)、飲水量以及其他環(huán)境情況[8]。人糞包括分集糞便和糞污，成年人平均每日產(chǎn)生的糞便和糞污相當(dāng)于1.65 g TN、0.36 g TP、0.51 g TK、30.01 g COD 有機(jī)污染物，同時(shí)含有大量致病微生物和少量重金屬及抗生素。尿液主要由水、各種無機(jī)鹽、有機(jī)化合物和其他代謝廢物（藥物和激素等微污染物）組成，成年人平均每日產(chǎn)生尿液相當(dāng)于7.50 g TN、0.85 g TP、2.36 g TK、24.00 g COD有機(jī)污染物，分別約占人類排泄物的82%、70%、82%、44%[9]。

1.2 人糞尿的特征

受不同地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)衛(wèi)生設(shè)施類型，及其設(shè)計(jì)、建造和維護(hù)管理的影響，人糞的特征顯著不同[10]。來自公共廁所等大型衛(wèi)生設(shè)施的糞污通常比小型衛(wèi)生設(shè)施的糞污、分集糞便的穩(wěn)定性更差，COD 等有機(jī)物污染物含量更高[11-12]。人糞中營養(yǎng)物質(zhì)多以復(fù)雜有機(jī)質(zhì)的形式存在，無法被農(nóng)作物直接吸收利用[13]。尿液中的N 元素主要以尿素的形式存在，P、K 元素分別以磷酸鹽和鉀離子的形式存在，均為利于農(nóng)作物吸收利用的形態(tài)[9]。分集糞便和尿液中N、P、K 和有機(jī)質(zhì)含量差異顯著，如圖1所示。

圖1 人糞尿中典型營養(yǎng)物質(zhì)和污染物的含量Figure 1 Contents of typical nutrients and contaminants in human feces and urine

2 人糞處理還田

為保證人糞還田安全性，需對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定化、無害化處理。目前，我國對(duì)人糞的處理還沒有形成標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和產(chǎn)業(yè)化的處理模式[14]。人糞的固液分離是促進(jìn)其高效處理和還田的關(guān)鍵，影響分離效果的主要因素包括人糞的物理形態(tài)以及固體、蛋白質(zhì)和脂肪等的含量，分集糞便中固定性固體和揮發(fā)性固體含量低，需要添加化學(xué)調(diào)節(jié)劑來提高分離效果，其脫水技術(shù)更具有挑戰(zhàn)性[8]。固液分離技術(shù)的選擇取決于土地面積、技術(shù)成本和分離效率。干燥床、絮凝沉淀等低成本技術(shù)對(duì)土地需求、環(huán)境影響較大，帶式壓濾、離心脫水技術(shù)則對(duì)運(yùn)行能耗、操作條件和成本要求較高[15-16]，因此在使用高成本固液分離技術(shù)之前合理利用低成本技術(shù)進(jìn)行處理，可以在降低成本情況下達(dá)到較好的固液分離效果。人糞經(jīng)固液分離后可采取厭氧消化、好氧堆肥、制備生物炭基肥以及水熱炭化等技術(shù)進(jìn)行處理，以滿足還田要求。表1 為影響人糞處理的主要參數(shù)。

表1 影響人糞處理的主要參數(shù)Table 1 The main parameters affecting the treatment of human feces

2.1 厭氧消化

分集糞便的C/N 較低且灰分含量較高，為提高厭氧消化過程的穩(wěn)定性，通常利用糞污和其他有機(jī)廢物（如畜禽糞便、污水污泥[22]、農(nóng)業(yè)廢棄物、餐廚垃圾[23]等）混合發(fā)酵。杜靜等[21]研究發(fā)現(xiàn)，人糞與稻秸、尾菜、牛糞的混合比分別為3∶1、3∶1、1∶1 條件下，產(chǎn)氣率比純?nèi)思S厭氧發(fā)酵分別提升了78.50%、20.75%和18.84%。許智等[24]將人糞尿、餐廚垃圾、稻秸按不同比例混合進(jìn)行研究，在中溫條件下濕質(zhì)量比為5∶1∶3.49 的累積產(chǎn)氣量相比5∶1∶1.74 以及不加入稻秸的情況下分別提升7.7%、40.15%。原因是人糞中灰渣含量較高，增加稻秸提高了基質(zhì)中揮發(fā)性固體的含量[25]。但人糞厭氧消化的溫度達(dá)不到較好的消毒效果，污染指標(biāo)和致病微生物達(dá)不到安全處置的要求[21，24，26]。因此，需采取預(yù)處理技術(shù)對(duì)致病微生物進(jìn)行處理，Yin 等[27]通過熱預(yù)處理（70 ℃）的中溫厭氧消化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)糞污安全回收利用，當(dāng)糞污總固體含量為1%、2%、4%、6%、8%、10%和12%時(shí)，病原體完全滅活時(shí)間分別為60、60、80、80、100、100 min 和100 min，這為提升人糞厭氧消化無害化處理效果提供了重要的參考。

目前，國內(nèi)外厭氧消化產(chǎn)品還田效應(yīng)的研究較少。在我國，隨著西南地區(qū)“沼改廁”的推行，戶用沼氣系統(tǒng)是目前人糞還田普遍的設(shè)施，但是規(guī)模效益不明顯。今后該技術(shù)的發(fā)展方向：一是推動(dòng)厭氧消化處理裝置產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展，形成一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；二是針對(duì)不同條件選擇無害化預(yù)處理技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)致病微生物的去除，提高肥料產(chǎn)品的肥效和安全性[28]；三是利用資源回收技術(shù)對(duì)厭氧消化液中營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行回收[29-30]。

2.2 好氧堆肥

人糞好氧堆肥的自加熱過程可以對(duì)人糞中病原體進(jìn)行消毒，是管理人糞的一種有前景的方法[31]，提高堆肥效率、減少病原體是其研究的熱點(diǎn)。影響堆肥效率的主要因素包括微生物的活性、人糞的C/N（20～35）、含水率（50%～60%）、pH 值（6.0～7.5）、顆粒大小以及曝氣條件等[12]。在保證原料不含對(duì)環(huán)境和人類健康有長期負(fù)面影響的污染物情況下，許多研究者將人糞與餐廚垃圾[32]、城市固體廢物[33]、農(nóng)業(yè)廢棄物[34]等進(jìn)行共堆肥處理。溫度是衡量好氧堆肥效率以及無害化程度的關(guān)鍵指標(biāo)。傳統(tǒng)堆肥具有堆肥溫度低（50～70 ℃）、周期長（25～45 d，甚至更長）的缺點(diǎn)，學(xué)者利用超高溫菌進(jìn)行好氧堆肥發(fā)現(xiàn)，超高溫狀態(tài)（80 ℃左右為常態(tài)）的堆肥周期僅為10 d，相比傳統(tǒng)堆肥時(shí)間縮短60%以上，極大提高人糞堆肥品質(zhì)和無害化程度[35]，但超高溫好氧堆肥中微生物的需氧量和能耗較大，在實(shí)際應(yīng)用中需安裝通氣設(shè)備并進(jìn)行能源輸入，增加了額外成本。時(shí)紅蕾等[36]以原料配比為1∶4的人糞、鋸末進(jìn)行了小規(guī)模家庭好氧堆肥研究，結(jié)果表明該方式可以有效減少N損失，肥料產(chǎn)品具有適宜的腐熟度和生理毒性。因此，為促進(jìn)農(nóng)村和缺水地區(qū)人糞源地處理還田利用，減少收集和運(yùn)輸成本，新型堆肥廁所的建設(shè)以及小型專業(yè)化堆肥設(shè)備的研發(fā)是農(nóng)村人糞堆肥還田的合適選擇。

人糞干燥是堆肥前預(yù)處理步驟之一，分集糞便的C/N 通常比糞污低，且脫水技術(shù)具有挑戰(zhàn)性，因此糞污適合作為好氧堆肥的原料。目前，應(yīng)用堆肥技術(shù)處理人糞的主要限制包括：一是缺乏空間和資金對(duì)人糞進(jìn)行干燥預(yù)處理，管理成本高，設(shè)備無法維護(hù)；二是高N 損失以及氣味問題；三是缺乏相關(guān)有機(jī)添加物的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)[37]。在未來，人糞好氧堆肥還田應(yīng)加強(qiáng)預(yù)處理工藝的優(yōu)化、超高溫菌堆肥的研發(fā)以及小型專業(yè)化堆肥設(shè)備的普及。

2.3 制備生物炭基肥

制備生物炭基肥可保證100%病原體消除，生物炭基肥施用于土壤中有助于提高土壤持水以及陽離子交換能力，可顯著改善土壤肥力，促進(jìn)農(nóng)作物生長[17，38]。人糞制備生物炭基肥還田能實(shí)現(xiàn)人糞無害化、減量化和資源化目標(biāo)，具有安全可靠、減少農(nóng)業(yè)碳排放等優(yōu)勢(shì)。生物炭制備主要受工藝的熱解溫度、升溫速率和熱解時(shí)間的影響[39]。白曉鳳等[18]結(jié)合單因素和正交優(yōu)化試驗(yàn)研究制備生物炭的最優(yōu)工藝條件，結(jié)果表明熱解溫度對(duì)產(chǎn)率的影響最顯著，其次是升溫速率、熱解時(shí)間，在600 ℃、升溫速率15 ℃·min-1、熱解時(shí)間70 min 的條件下，生物炭的產(chǎn)率高達(dá)49%，同時(shí)具有較大的比表面積和孔體積。劉璇[40]的研究表明，熱解溫度500 ℃、熱解時(shí)間60 min 條件下獲取的生物炭具有較高的熱穩(wěn)定性及豐富的微孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)P、K 含量較高，具有良好的土壤應(yīng)用潛力。許多研究通過提高熱解溫度來提高生物炭的穩(wěn)定性，豐富生物炭基肥P、K等有效營養(yǎng)成分，但也造成N元素、酸性官能團(tuán)流失[41]和低熔點(diǎn)灰分物質(zhì)燒結(jié)、沉積[20]以及重金屬含量升高[38]等問題。

目前，人糞作為原料制備生物炭基肥還田仍處于初步研究階段，含水率、N 含量較低的分集糞便更適合作為原料，以減少生產(chǎn)過程能耗和N損失。雖然國際生物炭倡議組織（IBI）為生物炭的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)制定指導(dǎo)方針，但不同熱解工藝制備的生物炭存在明顯的土壤影響效果[38，41-42]，因此，今后需加強(qiáng)不同熱解工藝對(duì)生物炭基肥還田效應(yīng)影響的相關(guān)研究，為其制備提供更準(zhǔn)確的指導(dǎo)。在未來的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)加強(qiáng)人糞制備生物炭基肥的生產(chǎn)成本以及碳減排相關(guān)研究，提高其還田的環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益。

2.4 水熱炭化

水熱炭化（Hydrothermal Carbonization，HTC）技術(shù)可在較低溫度、無需干燥預(yù)處理或其他添加劑條件下分解有機(jī)廢棄物，該技術(shù)可以消除病原體，顯著降低氣味和可溶性有毒重金屬的含量，HTC 產(chǎn)品通過改善土壤持水能力、孔隙結(jié)構(gòu)和提高養(yǎng)分含量促進(jìn)作物生長[43-44]。影響HTC 過程的主要參數(shù)為反應(yīng)溫度、停留時(shí)間、底物pH 和加熱速率，低加熱速率有利于提高水炭的炭化程度[45]，提高酸濃度、反應(yīng)溫度和停留時(shí)間，有利于人糞轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的肥料產(chǎn)品[46]。Wüst 等[46]研究HTC 產(chǎn)品可以安全用作肥料時(shí)的最佳反應(yīng)條件，結(jié)果表明pH=4、反應(yīng)溫度為220 ℃、停留時(shí)間為2 h 時(shí)水炭產(chǎn)率最高，同時(shí)N、P 具有較高的保留率。McGaughy 等[43]通過研究HTC 回收糞污中營養(yǎng)物質(zhì)發(fā)現(xiàn)，水炭和炭液中P、N 含量分別在100～130 g·kg-1、1.8～2.1 g·L-1之間，HTC 反應(yīng)條件影響營養(yǎng)物質(zhì)的形態(tài)及其在水炭和炭液中的組成，但對(duì)總含量沒有顯著影響。人糞HTC 產(chǎn)品中N∶P∶K 比例與商品肥料相似[47]，但該技術(shù)可能對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的有機(jī)物分解不徹底，產(chǎn)品中的毒性物質(zhì)易造成還田風(fēng)險(xiǎn)。

人糞作為HTC 原料生產(chǎn)土壤改良劑的研究較少，該技術(shù)處理含水率較高的糞污具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，HTC生產(chǎn)水炭僅限于對(duì)纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等單一化學(xué)物質(zhì)降解機(jī)理的研究[45]，因此需要通過進(jìn)一步研究來闡明復(fù)雜有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為水炭的機(jī)理。HTC研究主要集中在水炭方面，炭液生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用鮮有研究，未來應(yīng)系統(tǒng)地研究人糞特征及其主要成分的含量對(duì)HTC過程的影響，根據(jù)HTC產(chǎn)品用途（土壤改良劑或液態(tài)肥料）進(jìn)一步優(yōu)化工藝流程和技術(shù)參數(shù)。

2.5 技術(shù)總結(jié)及對(duì)比

表2 總結(jié)了人糞還田技術(shù)的主要特點(diǎn)、適合處理的人糞類型、潛在的環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)以及技術(shù)成熟度。根據(jù)技術(shù)的可操作性和肥料產(chǎn)品的安全性可以看出，雖然厭氧消化、好氧堆肥技術(shù)的理論研究與實(shí)踐應(yīng)用已廣泛開展，但在沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下不能保證還田的安全性。人糞制備生物炭基肥還田具有固碳作用且穩(wěn)定性和安全性高，水熱炭化技術(shù)可在不對(duì)人糞進(jìn)行預(yù)處理的情況下應(yīng)用，但兩種技術(shù)的反應(yīng)過程和還田效應(yīng)仍需進(jìn)一步探討。目前，許多研究者開展了乳酸發(fā)酵-堆肥技術(shù)[54]、堆肥-蚯蚓堆肥一體化技術(shù)[55]、生物炭-堆肥技術(shù)[51，56]等多種協(xié)同處理技術(shù)研究，對(duì)于提高人糞處理效率及提升肥料產(chǎn)品的品質(zhì)具有重要意義。

表2 人糞還田前處理技術(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of treatment technologies before returning human feces to the field

3 分集尿液處理還田

分集尿液還田過程中存在氨揮發(fā)以及產(chǎn)生高濃度鹽、病原體和微污染物等風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)大量尿液收集和運(yùn)輸也是棘手的問題[57-58]。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的研究，尿液還田前的處理方法主要有兩類：一是減少尿液中的病原體和微污染物，主要技術(shù)包括尿液儲(chǔ)存、電滲析、納濾和高級(jí)氧化技術(shù)；二是濃縮和提取尿液中的營養(yǎng)物質(zhì)，主要技術(shù)包括滲透技術(shù)、汽提法、鳥糞石沉淀法。

3.1 尿液儲(chǔ)存

尿液密封儲(chǔ)存可以有效防止新鮮尿液中尿素的水解，降低N 素流失，減少致病微生物。尿液還田可以改善土壤營養(yǎng)狀況，增加蘿卜[59]、玉米[60]、小白菜以及空心菜[61]等農(nóng)作物的產(chǎn)量，促進(jìn)化肥減量。根據(jù)尿液的還田指南，尿液經(jīng)密封儲(chǔ)存處理后以1∶3～1∶5的稀釋比進(jìn)行稀釋，可減少尿液中鹽組分對(duì)土壤以及農(nóng)作物的毒害風(fēng)險(xiǎn)[62]。

影響尿液儲(chǔ)存效果的主要參數(shù)為溫度、pH 值和儲(chǔ)存時(shí)間。低溫（4 ℃）儲(chǔ)存通過降低酶和微生物的活性減少尿液水解[63]。尿液儲(chǔ)存前，在每升未稀釋尿液中加入0.61 mmol 硫酸或1.00 mmol 醋酸進(jìn)行酸化處理（pH 約為4.0）[64]，或加入10 g Ca（OH）2進(jìn)行堿化處理（pH 為11.0～13.0）[65]，均可有效抑制尿素的分解以及病原體的生存。Victor 等[66]報(bào)道，尿液在20 ℃下儲(chǔ)存6 個(gè)月后可以作為肥料施用，不會(huì)造成農(nóng)作物食用部分病理性污染以及對(duì)土壤環(huán)境的負(fù)面影響。但尿液長期儲(chǔ)存不能實(shí)現(xiàn)激素、殘留藥物等難降解微污染物的去除，作為食用農(nóng)作物的生產(chǎn)肥料可能造成毒理學(xué)風(fēng)險(xiǎn)，易對(duì)敏感性人群（如嬰兒）造成健康影響[67]。由于缺乏對(duì)尿液還田的風(fēng)險(xiǎn)和收益認(rèn)知，全球僅59%人口接受尿液作為農(nóng)作物肥料，不同國家接受程度差異仍很大[68]，因此，需要對(duì)尿液進(jìn)行消毒處理以及規(guī)范化利用。

3.2 電滲析技術(shù)

電滲析技術(shù)（Electrodialysis，ED）是利用離子交換膜在直流電場(chǎng)的作用下，將尿液中帶電離子組分分離的電化學(xué)膜技術(shù)。表觀分子量為100～200 Da 的離子交換膜可以有效攔截藥物和激素等大分子微污染物，同時(shí)選擇性地將營養(yǎng)物質(zhì)提取到濃縮液中[69]。Pronk 等[70]首次利用ED 法去除尿液中的微污染物，研究表明，該方法對(duì)尿液中常見的5 種微污染物（普萘洛爾、炔雌醇、布洛芬、雙氯芬酸和卡馬西平）最初去除率很高，然而隨著操作時(shí)間（90 d）的延長會(huì)出現(xiàn)5%～10%滲透。Arola等[71]證明ED法對(duì)微污染物截留率可達(dá)到92%，將NH+4-N、PO3-4-P 和K+等營養(yǎng)物質(zhì)濃縮高達(dá)5 倍。在處理尿液還田方面，瑞士水研究所（EAWAG）將ED 法與臭氧氧化技術(shù)結(jié)合提高去除微污染物的穩(wěn)定性，其生產(chǎn)的“Urevit”肥料產(chǎn)品的農(nóng)藝價(jià)值高于其他被測(cè)有機(jī)肥料，且在適當(dāng)?shù)氖┯眉夹g(shù)條件下，預(yù)期的施肥效率與硝酸銨化肥相當(dāng)[72]。目前利用ED 法分離營養(yǎng)素和微污染物的相關(guān)報(bào)道較少，因此在生產(chǎn)濃縮養(yǎng)分用作肥料之前，必須評(píng)估其還田安全性，同時(shí)該方法需要消耗大量電能，處理尿液的經(jīng)濟(jì)性需進(jìn)一步提高。

3.3 納濾技術(shù)

納濾技術(shù)（Nanofiltration，NF）是低壓力（0.2～2 MPa）驅(qū)動(dòng)運(yùn)行的一種膜分離技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)分子量為200～500 Da 的物質(zhì)截留，該技術(shù)已被應(yīng)用于截留殺蟲劑、藥物化合物、干擾性激素等與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)的化合物[73]。NF 對(duì)微污染物的截留效果取決于電荷和極性，帶負(fù)電的NF膜對(duì)帶負(fù)電荷的離子、微污染物具有較高的截留率，且效果隨著pH 值的增加而提升[74-75]。Pronk 等[74]從制備尿基肥料的角度評(píng)估了不同NF膜去除微污染物和滲透養(yǎng)分的有效性，在pH=5條件下，截留分子量為300 Da 的NF270 納濾膜對(duì)未水解尿液中常見的5 種微污染物具有92%以上的截留率，大部分尿素和氨具有良好的滲透效果，但磷酸鹽和硫酸鹽幾乎完全被截留。其他學(xué)者也證明NF可有效實(shí)現(xiàn)單價(jià)離子與多價(jià)離子、有機(jī)物的分離[76]。因此，NF應(yīng)用于尿基肥料生產(chǎn)時(shí)可利用不同特性和孔徑的NF膜選擇性截留微污染物以及滲透營養(yǎng)素，或利用多組膜對(duì)尿液中不同價(jià)態(tài)的N、P進(jìn)行分離。但該技術(shù)運(yùn)行成本高、膜易受污染，且高度濃縮的微污染物的最終處置也是需要重視的問題。

3.4 高級(jí)氧化技術(shù)

高級(jí)氧化技術(shù)（Advanced Oxidation Process，AOPs）是利用強(qiáng)氧化劑將物質(zhì)進(jìn)行氧化，通過改變物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)消除其污染性，或?qū)⑵湮廴拘越档汀：芏嘌芯炕诔粞?、Fenton 法、電化學(xué)氧化以及聲化學(xué)氧化等AOPs對(duì)尿液中藥物殘留物、抗生素、細(xì)胞抑制劑和激素等微污染物進(jìn)行降解[77]。其中臭氧氧化法和UVC 輻射法應(yīng)用較成熟，降解效果取決于氧化劑量、尿液基質(zhì)和操作方法等因素[78]。單一的AOPs 處理可能存在微污染物沒有完全礦化、降解副產(chǎn)物具有生物活性以及形成有毒中間體等問題[79-80]。因此學(xué)者通過聯(lián)合Fe/H2O2的方式提高反應(yīng)動(dòng)力學(xué)[81]，或利用超聲波氧化處理，減少尿液基質(zhì)對(duì)微污染物去除的影響[78-79]。此外，結(jié)合尿液特征的聯(lián)合工藝處理可以減少N 素的損失，同時(shí)顯著減少能耗。Tettenborn等[82]的研究表明，尿液中高濃度的氨氮與氧化劑或者羥基自由基進(jìn)行反應(yīng)，對(duì)尿液中微污染物的去除造成抑制作用，采用蒸汽汽提法減少氨氮后，臭氧投加劑量為2.5 g·L-1或UVC 輻射功率強(qiáng)度為2.5 kWh·L-1時(shí)可以完全去除尿液中的藥物殘留物。AOPs作為一種重要的深度處理手段，為尿基肥料的生產(chǎn)提供安全保障，未來的研究應(yīng)聚集于可降低成本、減少尿液中營養(yǎng)物質(zhì)損失、提高微污染物去除率的聯(lián)合處理技術(shù)。

3.5 滲透技術(shù)

滲透技術(shù)包括反滲透（Reverse Osmosis，RO）和正滲透（Forward Osmosis，F(xiàn)O）?；趬毫︱?qū)動(dòng)的RO 工藝對(duì)離子態(tài)鹽類和微污染物具有較高的截留率，可以通過控制尿液pH 值改變氨氮的存在形式，選擇性截留或者滲透氨氮[83]。FO 是利用膜兩側(cè)溶液的滲透壓差作為驅(qū)動(dòng)力的低壓膜工藝，可以選擇性地從尿液中分離出低分子量中性化合物[84-85]。在國內(nèi)，劉乾亮等[86]首次研究FO 處理尿液，F(xiàn)O 膜能有效截留尿液中的污染物，對(duì)TN 和氨氮的截留率均在98.5%以上，清洗膜后膜通量可以恢復(fù)90%以上。目前，肥料驅(qū)動(dòng)正向滲透的概念已被提出，利用高滲透壓和擴(kuò)散性的鎂鹽溶液作為吸取溶液，可以在不造成膜損傷情況下使尿液體積減少60%，以生產(chǎn)鳥糞石的形式回收約50%N和40%P[87]。為進(jìn)一步提高尿液營養(yǎng)物質(zhì)的濃縮以及連續(xù)性運(yùn)行，學(xué)者將膜蒸餾（Membrane distillation,MD）工藝與FO 結(jié)合。當(dāng)尿液pH 6～7、2.5 mol·L-1NaCl 作為吸取溶液時(shí)，F(xiàn)O-MD 工藝可以截留尿液中的總有機(jī)碳、TN、磷酸鹽以及病原微生物和有機(jī)污染物[88]。FO 具有低結(jié)垢、低能耗以及高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，是目前用于濃縮尿液中營養(yǎng)物質(zhì)的不錯(cuò)選擇，但其推廣應(yīng)用中仍存在諸多挑戰(zhàn)，如濃縮尿液的消毒利用[89]、滲透性FO 膜的選擇以及高效且易于再生吸取溶質(zhì)的技術(shù)[84]等。

3.6 汽提法

汽提法是利用尿液中氨在堿性條件下易揮發(fā)的特點(diǎn)，通過傳質(zhì)作用實(shí)現(xiàn)氨的氣液相脫離，氨通過硫酸等酸性溶液吸收，形成富含銨的液態(tài)肥料。該技術(shù)包括空氣汽提和蒸汽汽提，與空氣汽提法相比，基于熱分離過程的蒸汽汽提法溫度高，保證了高效率的氨傳質(zhì)，具有更好的可操作性和經(jīng)濟(jì)性[90]。Liu 等[91]在空氣流速14 L·min-1·L-1、溫度323 K和運(yùn)行時(shí)間2.2 h的操作條件下，從每立方米尿液（pH=9.3）中去除80%氨的最低運(yùn)行成本為21.65 美元，提高空氣流速和溫度有利于氨的脫離和降低單位運(yùn)行成本，改變尿液稀釋比對(duì)脫氮效率沒有顯著的影響，而pH 值大于10時(shí)，額外的化學(xué)品投入導(dǎo)致單位運(yùn)行成本增加。Hazard 等[92]研究了蒸汽汽提工藝回收氨的效果以及能量需求，結(jié)果表明，尿液與蒸汽相對(duì)流速比在6.5～7.5 之間時(shí)氨回收率超過90%，且比Haber-Bosch 工藝生產(chǎn)氮肥所需的能量更具有優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際工程中，蒸汽汽提工藝不適合處理小規(guī)模尿液，需進(jìn)一步降低工藝設(shè)備的能耗，以及利用太陽能或其他低品位熱源降低溫度控制成本[82]。尿液中的銨含量比磷酸鹽高，通過改變工藝參數(shù)控制反應(yīng)器底物中銨的最終濃度，最后結(jié)合鳥糞石沉淀技術(shù)生產(chǎn)磷酸銨鎂，可以最大限度地回收尿液中的N、P，該技術(shù)具有潛在的工業(yè)價(jià)值。

3.7 鳥糞石沉淀技術(shù)

鳥糞石沉淀技術(shù)是通過添加鎂鹽等沉淀劑從尿液中提取鉀-鳥糞石或銨-鳥糞石晶體，作為農(nóng)業(yè)和園藝用途的緩釋肥料。該技術(shù)具有營養(yǎng)物質(zhì)損失少，運(yùn)輸方便和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，可將超過98%的微污染物保留在原尿液中，極大提高肥料產(chǎn)品的安全性[93]。鳥糞石沉淀效率主要取決于鎂鹽的投加量和溶解度[94]。Zamora 等[95]采用流化床工藝規(guī)?；a(chǎn)銨-鳥糞石，在pH=8.6、Mg∶P（摩爾比）=1.2 條件下，N和P 的回收率分別為16%和94%，鳥糞石產(chǎn)品具有較高純度和良好的顆粒結(jié)構(gòu)。Le 等[96]開發(fā)利用流化床均相結(jié)晶工藝回收尿液中磷酸鹽和鉀，在操作參數(shù)為pH=10、Mg∶K（摩爾比）=1.25、尿液上流速度30 m·h-1時(shí)可以回收98.4%P 和70.5%K，生成的鉀-鳥糞石產(chǎn)品純度高、含水率低，具有很好的還田應(yīng)用前景。鳥糞石帶來的P 吸收量和作物產(chǎn)量不低于商業(yè)肥料，但其在堿性土壤中溶解度低、營養(yǎng)物質(zhì)釋放緩慢，會(huì)造成土壤結(jié)構(gòu)變化以及農(nóng)作物產(chǎn)量低等問題[97-98]。因此還田前需加強(qiáng)當(dāng)?shù)赝寥浪釅A度對(duì)其釋放速率的研究，并結(jié)合農(nóng)作物的生長速率特點(diǎn)進(jìn)行合理利用。另外，該方法需要額外的可溶性鎂鹽誘導(dǎo)沉淀反應(yīng)，建立反應(yīng)器成本高，今后需進(jìn)一步開發(fā)成本低、沉淀效率高且環(huán)境效益高的替代沉淀劑[99]。

3.8 技術(shù)總結(jié)和對(duì)比

尿液主要處理技術(shù)及特點(diǎn)見表3，單一的技術(shù)不能安全有效地將尿液中N、P、K 回收，因此多種技術(shù)組合處理是未來研究的重點(diǎn)。FO-MD 膜組合技術(shù)能耗低、膜污染小，可以進(jìn)一步提高微污染物的截留率以及運(yùn)行連續(xù)性，在尿液中營養(yǎng)物質(zhì)的濃縮方面具有很好的應(yīng)用前景。汽提法-鳥糞石沉淀技術(shù)組合可以同時(shí)生產(chǎn)硫酸氨液態(tài)肥料和鳥糞石，實(shí)現(xiàn)尿液中多種營養(yǎng)物質(zhì)回收。隨著生物炭吸附技術(shù)的發(fā)展，未來可以探究人糞制備的生物炭作為各種尿液營養(yǎng)物質(zhì)回收技術(shù)的后續(xù)處理，評(píng)估其對(duì)N、P、K 吸附的綜合性能，加強(qiáng)回收尿液中營養(yǎng)物質(zhì)作為增值肥料的相關(guān)研究。

表3 尿液處理技術(shù)特點(diǎn)Table 3 Features of urine treatment technology

4 人糞尿還田安全性研究

人糞尿還田的安全性是決定其還田利用的一個(gè)重要因素，人糞尿中含有多種致病微生物以及少量微污染物、重金屬和抗生素污染物，在農(nóng)業(yè)中使用未經(jīng)充分處理的人糞尿會(huì)造成健康風(fēng)險(xiǎn)。由于缺乏相關(guān)還田技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，人糞尿-食物傳播也會(huì)成為傳染病的重要傳播途徑，還田時(shí)應(yīng)充分評(píng)估其環(huán)境安全性。

4.1 病原體微生物

健康人群的尿液中致病微生物含量極少，但由于與糞便存在交叉感染，尿液中發(fā)現(xiàn)了血吸蟲、傷寒沙門氏菌、問號(hào)鉤端螺旋體和蠕蟲卵等病原體[102]。高溫處理是去除人糞尿中病原體的有效途徑。Sabar等[103]研究證明了交叉組裝噬菌體可以作為糞便污染和水環(huán)境中糞便致病微生物的有效監(jiān)測(cè)指標(biāo)，因此，尿液還田前可以通過測(cè)定該指標(biāo)含量來判斷尿液受糞便污染的程度，進(jìn)而依據(jù)污染程度選擇合適的處理技術(shù)。

4.2 微污染物

用于治療人類疾病的激素以及藥物用量增加，會(huì)導(dǎo)致人體代謝過程中形成內(nèi)分泌干擾物的概率增加，從而增加尿液中微污染物的含量，尿液未經(jīng)處理可能造成還田風(fēng)險(xiǎn)，引起人類腦損傷、糖尿病和癌癥等多種疾病[104]。目前，針對(duì)尿液中微污染物的處理標(biāo)準(zhǔn)和還田限值要求的相關(guān)研究較少，未來需加強(qiáng)微污染物在土壤中的積累與降解、對(duì)土壤理化性質(zhì)影響以及潛在的生態(tài)毒理效應(yīng)等研究。

4.3 重金屬和抗生素

蔡佳盛等[105]評(píng)價(jià)了我國農(nóng)村節(jié)水型、水沖型公廁糞便處理還田時(shí)重金屬和抗生素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，糞污發(fā)酵產(chǎn)品中Cd、Cr、Cu、Zn 重金屬含量均大幅度超出《肥料中有毒有害物質(zhì)的限量要求》（GB 38400—2019）和《有機(jī)肥料》（NY/T 525—2021）規(guī)定的指標(biāo)要求，水沖型廁所的糞污發(fā)酵產(chǎn)品還田的重金屬和抗生素風(fēng)險(xiǎn)較高。由于我國缺少人糞尿還田相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，表4 對(duì)比了《畜禽糞便還田技術(shù)規(guī)范》（GB/T 25246—2010）等3 項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果表明分集糞便中的主要重金屬含量均符合限值要求。圖2 展示了農(nóng)業(yè)土壤中重金屬主要來源，包括大氣沉降、污水污泥、化肥和牲畜糞便等，可以看出加強(qiáng)人糞尿與農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的結(jié)合，可以有效減少污水灌溉和化肥施用帶來的重金屬污染問題，降低對(duì)環(huán)境和人類健康造成的風(fēng)險(xiǎn)。

表4 分集糞便中常見重金屬含量（mg·kg-1）Table 4 Content of common heavy metals in feces（mg·kg-1）

圖2 農(nóng)業(yè)土壤中重金屬循環(huán)示意圖Figure 2 Schematic diagram of heavy metal cycle in agriculture soil

5 結(jié)論與展望

本文在還田視角下重點(diǎn)分析人糞尿還田前主要處理技術(shù)的適用性、安全性以及還田后的效應(yīng)。其中人糞還田前處理技術(shù)主要有厭氧消化、好氧堆肥、制備生物炭基肥以及水熱炭化等。目前，由于各種技術(shù)存在局限性且缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)，多種技術(shù)協(xié)同處理研究已經(jīng)開展，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的農(nóng)藝價(jià)值和安全性的提高。尿液是一種富含N、P、K 營養(yǎng)物質(zhì)的液態(tài)肥料。傳統(tǒng)的尿液儲(chǔ)存不能去除難降解微污染物，生產(chǎn)尿基肥料是其最佳處理途徑，但基于膜處理的電滲析技術(shù)、納濾技術(shù)以及滲透技術(shù)存在原尿液微污染物最終處置問題，汽提法、鳥糞石沉淀法能耗、運(yùn)營成本高，在實(shí)際工程應(yīng)用中經(jīng)濟(jì)效益不明顯。面對(duì)“碳減排”和糧食安全生產(chǎn)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，建議人糞尿還田的研究和工作重點(diǎn)應(yīng)圍繞三個(gè)方向開展：

（1）構(gòu)建人糞尿管理-農(nóng)業(yè)生產(chǎn)-消費(fèi)者的營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)模式。下水道系統(tǒng)的普及限制了人糞尿的還田利用，在循環(huán)經(jīng)濟(jì)的背景下，我國對(duì)人糞尿資源化的重視程度仍不夠，考慮到土壤質(zhì)量下降、肥料生產(chǎn)成本提高以及糧食安全問題，未來應(yīng)探究以促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為目標(biāo)的人糞尿管理模式，加強(qiáng)研究人糞尿高效收集、運(yùn)輸以及空間優(yōu)化利用，提高人糞尿與農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的結(jié)合，促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)閉循環(huán)。

（2）加快相關(guān)還田技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定。人糞尿還田存在健康風(fēng)險(xiǎn)，我國目前尚缺乏關(guān)于人糞還田的相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，限制了主要處理技術(shù)的應(yīng)用和推廣。因此，未來應(yīng)探究我國不同地區(qū)人糞尿特征，為加快制定集中式厭氧消化、好氧堆肥等技術(shù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)，推動(dòng)我國人糞還田標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和產(chǎn)業(yè)化運(yùn)營。

（3）加強(qiáng)分集尿液微污染物的深度處理以及處理技術(shù)的組合。諸多微污染物通過尿液排出，尿液還田或營養(yǎng)物質(zhì)回收前需進(jìn)行污染評(píng)估和深度處理。高級(jí)氧化技術(shù)是有效的深度處理技術(shù)，但直接處理尿液會(huì)造成氨氮的損失，未來應(yīng)探究高級(jí)氧化技術(shù)作為其他尿液處理技術(shù)的后續(xù)處理方法的可行性，同時(shí)還需加強(qiáng)尿液中微量污染物的定量分析，為技術(shù)的選擇和控制范圍的確定提供理論支持。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)考慮不同技術(shù)的功能和特點(diǎn)，依據(jù)尿液的N、P、K含量特征以及去除污染物的類型調(diào)控組合技術(shù)種類和反應(yīng)條件，以最大化地利用尿液資源的價(jià)值。