综述：膜蒸馏技术在可持续尿液资源管理中的应用潜力与实施挑战

这篇综述系统探讨了膜蒸馏（MD）技术在处理源分离尿液（source-separated urine）中的核心挑战与解决方案，聚焦于界面污染（fouling）、氨挥发（NH3 volatilization）及新兴污染物（ECs）迁移等瓶颈问题，提出通过原料工程（feedstock engineering）、膜材料创新（advanced membrane engineering）和系统集成（hybrid systems）实现从实验室到商业化的范式转变，为循环经济（circular economy）下的资源回收提供技术路线图。

　　

引言

全球人口增长与粮食安全需求推动了对氮（N）、磷（P）、钾（K）等营养元素的高效回收。源分离尿液作为高浓度营养源（含N 3–9 g·L^?1、P 0.3–0.7 g·L^?1、K 0.8–2.5 g·L^?1），理论上可替代19%的合成氮需求。传统技术如鸟粪石（struvite）沉淀需添加Mg²⁺且氮回收率仅60–75%，而氨 stripping能耗高达28–35 kWh·kg^?1 N。膜蒸馏（MD）凭借温和操作条件（40–80°C）和近乎全溶质截留能力，成为极具潜力的替代方案。

界面现象：污染、结垢与润湿

尿液MD的污染机制呈现无机-有机-生物三重协同效应。尿素水解导致pH升高（表1），引发鸟粪石（MgNH₄PO₄·6H₂O）等盐类过饱和结晶，使膜通量下降35%。同时，尿液中的蛋白质（如Tamm-Horsfall蛋白）通过疏水作用吸附形成有机层，加速生物膜滋生。更严峻的是，表面活性剂（如洗涤剂残留）会诱发膜孔润湿（pore wetting），彻底破坏选择性。

尿液稳定化的关键作用

抑制尿素水解是预处理的核心目标。酸化（pH 4–6.5）可保留90%以上氮（以尿素/NH₄⁺形式），但可能加剧金属腐蚀；而碱化（pH>12）虽抑制水解却需应对高粘度导致的传质限制。新兴的靶向酸性磷酸酶（TAP）抑制技术通过阻断尿素酶活性，在pH 7.5–8.5实现双重稳定，但成本较高。

混合系统与工艺集成

MBR-MD（膜生物反应器-MD）组合通过生物降解去除90%有机污染物，但需严格控制生物相pH以避免氨损失；FO-MD（正向渗透-MD）则利用高渗透压汲取液实现预浓缩，降低MD热负荷。实验证明，耦合废热（如工业余热<60°C）可使系统能耗降至<5 kWh·kg^?1 N，但需解决热交换器结垢问题。

商业化路径合成

技术选择需匹配终端产品需求：若以EC降解优先，TAP预处理占优；若追求成本最小化，酸化仍是可靠选项。值得注意的是，MD的经济性高度依赖地理因素——在年均温度>15°C地区，太阳能驱动可使水回收成本降至$0.45/m³，而寒冷地区需依赖工业废热网络。

结论

MD技术的突破点已从单一膜材料研发转向系统级优化。未来成功取决于三大支柱：智能选址（与废热源共置）、政策激励（如磷回收法规）以及市场机制（液态肥料溢价）。唯有通过跨学科协作，方能实现尿液资源化从"概念验证"到"规模应用"的跨越。