《Environmental Technology & Innovation》：Nutrient dynamics and recovery efficiencies in a decentralised faecal sludge and food waste treatment system
编辑推荐：
本研究针对中低收入国家面临的废弃物处理挑战，以加纳索马尼亚的分散式处理系统为研究对象，通过三轮完整处理周期的实地监测，首次量化揭示了粪便污泥与食物垃圾协同处理过程中氮（N）、磷（P）、钾（K）的流动路径与损失机制。研究发现，系统整体养分回收效率较低（N为6-17%，P为20-37%，K为17-24），脱水阶段氮损失尤为严重（59-86%），最终出水未能达到欧盟排放标准。研究为优化低成本的资源回收型卫生系统提供了关键数据支撑，对推动可持续环境卫生规划具有重要意义。
在全球范围内，尤其是在中低收入国家，如何安全有效地处理人类排泄物和有机废弃物是一个巨大的挑战。这些废弃物，主要是粪便污泥（Faecal Sludge, FS）和食物垃圾（Food Waste, FW），虽然含有丰富的养分（如氮N、磷P、钾K）和有机质，本是可以回收利用的宝贵资源，但由于缺乏完善的基础设施和可持续的管理实践，这些资源往往未被有效利用，反而成为环境污染和公共健康的隐患。传统的集中式污水处理技术（如活性污泥法）因其高昂的建设成本、对稳定能源的依赖以及专业运维要求，在许多地区，特别是在撒哈拉以南非洲（SSA），往往水土不服。因此，分散式处理系统，尤其是将FS与FW协同处理的技术（如共堆肥），因其成本较低、适应性更强，被视为更具可行性的解决方案。
尽管分散式系统优势明显，但一个关键问题始终困扰着研究者和实践者：在这些系统中，究竟有多少养分被成功回收到了有价值的产品（如堆肥）中？又有多少养分在处理的各个环节中损失掉了，最终可能进入了大气或水体，造成环境污染？此前的研究多集中于评估处理链条中的单个组件（如单独的脱水效率或堆肥效果），缺乏对整个系统“从入口到出口”的全面养分流向追踪和量化数据。这种数据的缺失，使得我们难以准确评估此类系统在资源回收和环境影响方面的真实效力，也阻碍了其进一步的优化和推广。
为了填补这一知识空白，由Cranfield大学的Eric Gbenatey Nartey等人组成的研究团队，在加纳索马尼亚的Jekora Ventures Ltd – Yilo Krobo Municipal Assembly (JVL-YKMA) 回收厂，开展了一项为期近一年的实地研究。研究人员对一座典型的分散式FS和FW处理系统进行了深入剖析，旨在评估氮（N）、磷（P）和钾（K）在整个处理过程中的流动、损失和回收效率，从而为减少养分损失、提升回收效益、降低环境污染提供科学依据。这项研究成果发表在《Environmental Technology》上，为资源匮乏地区的可持续卫生规划提供了宝贵的实证数据。
为了完成这项研究，研究人员采用了系统性的质量平衡方法。他们在2021年8月至2022年6月期间，跨越三个完整的处理周期（每个周期约4-6个月），对该处理系统进行了全面监测。该系统的处理流程主要包括几个核心阶段：首先，由真空卡车运来的原始FS被倾倒在沙滤脱水床上进行固液分离，产生脱水泥饼（Dewatered Faecal Sludge, DFS）和渗滤液（Percolate）；然后，DFS与收集来的FW混合进行共堆肥（Co-composting），生产成熟的堆肥产品；同时，脱水床产生的渗滤液与其他环节的渗沥液汇集后，依次进入兼性塘（Facultative Pond）和成熟塘（Maturation Pond）进行进一步处理。研究人员在每个关键节点（共10个采样点）定期采集FS、FW、DFS、渗滤液、堆肥原料、成熟堆肥以及各池塘的进出水等样品，总共收集了108个复合样品。所有样品均采用标准方法（如改进的凯氏定氮法测定总N，湿法消解后分光光度法测定总P，火焰光度法测定总K）分析了N、P、K的含量。基于测得的浓度和相应的流量或质量数据，研究人员计算了每个处理阶段各种物料中N、P、K的质量，并运用质量平衡原理，绘制了展示养分流向的桑基图（Sankey diagram），从而量化了养分的回收效率和损失情况。
3.1. Effect of decentralised FS and FW treatment system on nutrient flow
（分散式FS和FW处理系统对养分流动的影响）
研究结果清晰地描绘了N、P、K在处理系统中复杂而低效的流动图谱。在整个系统层面，养分的最终回收率很低。仅有6-17%的输入总N、20-37%的总P以及17-24%的总K被回收到共堆肥产品中；而随最终处理出水离开系统的养分比例更少，仅占输入总量的0.2-1%（N）、0.2-0.7%（P）和2-3%（K）。这意味着有高达83-94%的N、63-79%的P和77-83%的K在系统内损失掉了，损失的途径包括挥发到大气中、吸附在处理介质表面以及未被收集的淋失液等。分阶段看，FS在沙滤床脱水是养分损失的关键环节，尤其是在氮的损失上。三个周期中，在脱水阶段损失的N占原始FS输入N的比例高达59%至86%。P在脱水阶段的留存率相对较高（DFS中回收了61-91%），但K的损失也相当显著（49-81%）。随后的共堆肥过程也伴随着巨大的养分损失，堆肥后N的回收率不足30%（21-27%），P和K的回收率也分别只有21-45.5%和28-53%。
3.2. Effect of decentralised FS and FW treatment system on nutrient recovery and losses
（分散式FS和FW处理系统对养分回收和损失的影响）
对各个处理单元效率的评估进一步揭示了问题所在。沙滤脱水床对N和K的“去除效率”甚至出现了负值（尤其在周期2和3），这意味着出水中N或K的浓度反而高于进水。这种现象可能源于过滤介质中养分的释放积累、运行参数（如停留时间）的变化或气候条件的影响。这表明沙滤床的主要功能是脱水而非养分去除。相比之下，兼性塘表现出色，对N的去除效率高达88-96%，对P和K也有一定的去除效果（21-64%和66-85%）。然而，后续的成熟塘处理效果有限，最终出水中的N和P浓度仍然远超欧盟排放标准（总N超标2.5-3.4倍，总P超标5.3-7.8倍），未能达到直接排入水体的要求。
3.3. Decentralised treatment system efficiency and pollution mitigation
（分散式处理系统效率与污染缓解）
尽管系统对污染物的整体去除效率很高（N为94-99%，P为14-98%，K为4-88%），但这主要是通过养分的“损失”（尤其是N的挥发）实现的，而非将其有效地回收于产品中。研究还指出，目前许多中低收入国家（如加纳、乌干达）缺乏针对总N和总K的废水排放标准，这可能导致由养分污染引起的水体富营养化等环境问题未能得到有效监管。
4. Discussions
（讨论）
研究人员在讨论部分深入分析了造成高养分损失的原因。FS本身性质的巨大变异性（源于不同的卫生设施类型、储存时间等）是影响因素之一。在脱水阶段，N的高水溶性导致其大量进入渗滤液，而高温条件下氨氮（NH3-N）的挥发是N损失的重要途径。K由于其高溶解性易被淋失，而P则可能部分吸附在沙床表面。在堆肥阶段，除了挥发，矿化后的P和可溶性K也可能通过堆体渗滤液流失。该研究强调，分散式FS-FW处理系统在降低对管网依赖性的同时，如果在设计和运行上未加优化，很可能在养分回收方面表现不佳。与集中式处理厂相比，它们更容易受到挥发、淋洗和低效堆肥等因素造成的养分损失的影响。
5. Conclusions and recommendations
（结论与建议）
该研究的结论明确指出，所研究的分散式FS和FW处理系统虽然能够有效去除污染物，但在养分的回收利用方面效率低下，系统运行伴随着大量的养分损失。当前的系统基础设施更侧重于固体（有机质）的回收，而非养分的高效回收。最终出水水质不符合严格的排放标准，但在水资源稀缺地区，这部分出水经过适当风险评估后，或许可作为灌溉水源加以利用。
基于研究发现，论文提出了多项改进建议，包括使用生物炭（Biochar）吸附养分、将渗滤液/淋洗液回用到堆肥过程以及覆盖堆肥堆体等低成本、环境友好的技术措施，以减少脱水堆肥关键阶段的养分损失。研究人员呼吁中低收入国家应尽快建立针对N、K等养分的废水排放标准。此外，有必要进一步研究明确养分损失的具体途径。本研究提供的详尽养分流数据，可用于开发决策支持工具，指导低中收入国家优化FS处理系统中的养分管理策略，最终实现废弃物处理从“末端治理”向“资源回收”的范式转变，这对于推动全球，特别是资源受限地区的环境卫生可持续发展具有重要的理论和实践意义。
