综述：基于吸附技术的废水中铵和硝酸盐回收研究进展

这篇综述系统评述了吸附技术（如沸石、生物炭、离子交换树脂）在废水氮回收（NH4+/NO3-）中的应用，强调其通过预浓缩结合膜分离、鸟粪石沉淀等技术实现资源化，相比传统硝化/反硝化工艺更具经济与环境优势（CO2减排1.4%），为氮循环（N-cycle）的可持续发展提供新策略。

　　

引言

地球大气中78%为惰性氮气（N₂），而人类活动通过哈伯-博世工艺（Haber-Bosch）每年固定超100 Mt活性氮，其中16.6 Mt氮随废水排放，可满足全球17%农业需求。传统硝化/反硝化工艺将氮转化为N₂逸失，而吸附技术能通过离子交换或静电作用富集NH₄⁺（容量达80 mg/g）和NO₃^-（360 mg/g），结合后续处理可生成肥料，同时缓解水体富营养化（全球30-55%淡水已严重富营养化）。

预处理与材料选择

废水需经砂滤或超滤去除悬浮物，竞争性离子（如Ca²⁺、SO₄^2-）会降低吸附效率。决策树建议：NH₄⁺优先选用强酸阳离子树脂（SAC）或沸石，NO₃^-选用强碱阴离子树脂（SBA）或改性生物炭。

铵回收技术

沸石：天然斜发沸石（14-30 mg/g）成本低但含杂质，合成沸石（83 mg/g）纯度更高。生物炭通过MgO改性后容量提升至58.2 mg/g，可直接用作缓释肥。地质聚合物（如偏高岭土基）因室温合成、高选择性（NH₄⁺ > Ca²⁺）成为新兴材料。再生采用0.5 M NaCl（效率93%）或碱性溶液（pH>11）结合气提回收NH₃。

硝酸盐回收挑战

NO₃^-吸附依赖带正电表面，SBA树脂（如Purolite A520E）容量达125 mg/g，但受SO₄^2-干扰。壳聚糖在pH<6.5时通过质子化胺基吸附，而层状双氢氧化物（LDH）对CO₃^2-选择性更高。

再生与资源化

吸附后浓缩液可通过：

1. 气提：pH>11时转化NH₄⁺为NH₃，用H₂SO₄吸收制(NH₄)₂SO₄；
2. 鸟粪石沉淀：添加Mg²⁺/PO₄^3-生成NH₄MgPO₄·6H₂O（pK_s=12.6）；
3. 微生物同化：将氮转化为藻类生物质。

经济与环境效益

对比传统工艺，沸石吸附-气提组合成本降低27%（14.6 $/kgN），CO₂排放减少72%。LCA显示地质聚合物因原料低碳更具优势，但规模化数据仍缺乏。

非技术壁垒

欧盟新规要求2045年前污水处理厂脱氮率达82.5%，但回收肥料（如含NaCl再生液）的市场接受度与运输成本仍是挑战。

结论

吸附技术作为氮循环（N-cycle）工具箱的关键部分，已具备工业化潜力，未来需加强真实废水场景下的材料验证与政策激励。