在尿液储存过程中，通过尿素水解、醋酸发酵和矿物沉淀的耦合来实现营养物质的回收

《Journal of Water Process Engineering》：Coupling of urea hydrolysis, acetic acid fermentation and mineral precipitation during urine storage for nutrient recovery

尿液储存期间生化反应的协同作用与优化策略。系统监测发现尿素水解与复杂有机物发酵（主要产乙酸）同步进行，塑料生物载体固定微生物使水解速率提升32倍，水力停留时间缩短90%。研究揭示了pH升高、微量营养素缺乏及酶分泌受阻对水解速率的影响机制，为电化学膜技术等营养回收工艺提供优化参数。

　　尿液中营养物质的回收是实现更可持续的肥料产业的重要一步。尿液分离后，其中的有机物质会迅速发生一系列生物化学反应，这些反应对于后续的营养物质回收技术至关重要。本研究首次发现，在尿液储存过程中，复杂的有机物质降解为醋酸的过程与尿素水解及电导率增加同时发生。这一发现有助于更好地理解尿液储存期间发生的多种生物化学反应及其相互作用，从而为优化尿液处理工艺提供科学依据。

尿液中的氮主要以尿素形式存在，而在储存过程中，尿素会被尿素酶分解为铵离子（NH??）、氨（NH?）和碳酸氢盐（HCO??）。这个过程称为尿素水解或尿解。尿素水解过程中释放的氨会导致尿液pH值显著上升，从新鲜尿液的pH值小于7增加到≥9。pH值的升高会促使磷酸盐矿物的自发沉淀，如磷酸镁铵（MgNH?PO?·6H?O）和羟基磷灰石（HAP，Ca?(PO?)?OH）。这种沉淀虽然在某些情况下被视为一种问题，因为它可能导致尿液收集、运输和储存设备结垢和堵塞，但在营养物质回收技术中，它也被视为一种有益的预处理手段，因为可以去除部分钙和镁离子，从而减少膜技术中的无机物结垢问题。

尿液储存期间发生的其他重要生物化学反应包括发酵、微生物生长和沉淀等。这些反应对于尿液的后续处理具有重要意义，但目前尚未被全面研究。因此，本研究对尿液储存期间的不同生物化学过程进行了系统监测，并评估了它们之间的相互依赖性和相互作用。研究结果表明，尿素水解和微生物生长速率之间存在紧密联系，两者在储存初期都会下降。这种下降可能由多种因素引起，例如高pH值和游离氨对微生物的抑制作用、钙和镁等微量元素的有限供应，以及在尿素耗尽后，尿素酶产生菌受限于其自身的调控机制，导致尿素酶分泌受到阻碍。

为了提高尿素水解效率，研究中还尝试了使用塑料生物载体作为微生物的固定化手段。结果显示，使用塑料生物载体可以显著提高尿素水解速率，从原本在悬浮培养中的0.1 kgN m?3 d?1提升至3.3 kgN m?3 d?1。同时，这种策略也有效缩短了实现完全水解所需的水力停留时间，从25天减少至2天。这表明，通过合理设计尿液储存系统，可以大幅提高尿素水解效率，从而加快营养物质的回收过程。

在尿液储存过程中，除了尿素水解外，复杂有机物的发酵也是关键过程之一。这些有机物包括有机酸、肌酐、氨基酸和碳水化合物等，它们在储存过程中会被微生物发酵为短链挥发性脂肪酸（VFA），尤其是醋酸。然而，关于这些发酵过程的速率和动力学特性，目前缺乏系统的研究。因此，本研究特别关注了尿素水解速率随时间的变化及其与微生物活性和酶活性的关系。通过对这些过程的深入分析，可以为尿液储存条件的优化提供重要参考，以实现高效的尿素水解和后续的营养物质回收。

本研究采用的是真实的新鲜尿液作为实验材料，以确保实验结果的准确性和代表性。尿液样本是在澳大利亚墨尔本大学化学工程系的水冲式尿液收集器中收集的，收集过程遵循了墨尔本大学研究伦理与诚信办公室批准的协议。为了保证尿液的新鲜度，实验在尿液采集后的48小时内进行。此外，研究还采用了连续搅拌反应器来模拟尿液储存条件，并对实验结果进行了统计分析，以确保数据的可靠性和可重复性。

研究中发现，尿素水解与有机物发酵并非完全独立的过程，而是相互关联的。尿素水解产生的氨和碳酸氢盐不仅改变了尿液的化学组成，还影响了微生物的生长和代谢活动。这种影响可能导致有机物发酵速率的变化，从而进一步影响尿素水解的效率。因此，理解这些反应之间的相互作用对于优化尿液储存和处理工艺至关重要。

本研究的另一个重要发现是，尿素水解速率在储存初期迅速下降，这可能与尿素酶产生菌的活性变化有关。在尿素耗尽后，这些微生物的尿素酶分泌受到抑制，导致水解速率下降。此外，高pH值和游离氨的存在也会对微生物活性产生负面影响，从而进一步降低尿素水解效率。这些因素共同作用，使得尿素水解过程在储存初期表现出一定的非线性特征。

为了验证这些假设，研究采用了多种实验方法，包括对尿液样本的化学成分分析、微生物活性检测以及电导率的测量。通过这些实验，研究人员能够更准确地评估尿素水解和有机物发酵过程的相互作用，并为后续研究提供数据支持。研究还特别关注了尿素水解速率与微生物活性之间的关系，发现两者在储存过程中存在紧密的正相关性。

研究中使用的塑料生物载体不仅提高了尿素水解效率，还为尿液储存系统的设计提供了新的思路。通过将微生物固定在塑料载体上，可以有效提高其在尿液中的滞留时间，从而增强尿素水解的效率。这一策略的可行性已在初步实验中得到验证，表明其具有广泛的应用前景。然而，为了确保这一方法的长期有效性，还需要进一步研究塑料载体与尿液成分之间的相互作用，以及其对微生物活性的影响。

此外，研究还发现，尿液储存过程中发生的生物化学反应对后续的营养物质回收技术具有重要影响。例如，尿素水解产生的铵离子可以与磷酸盐和钾离子一起被膜技术回收，而有机物发酵产生的醋酸则可能对膜系统的性能产生影响。因此，理解这些反应的速率和动力学特性，有助于优化膜技术的运行条件，提高营养物质回收的效率。

综上所述，本研究通过对尿液储存期间发生的多种生物化学反应进行系统分析，揭示了尿素水解与有机物发酵之间的相互作用，并探讨了影响尿素水解效率的关键因素。研究结果表明，通过合理设计尿液储存系统，可以有效提高尿素水解速率，缩短水力停留时间，从而为实现高效的营养物质回收提供科学依据。这些发现不仅有助于优化现有的尿液处理技术，还为未来开发新的处理方法提供了重要的理论支持。