废水钾回收制循环钾肥：技术、产品形态与放大挑战的关键范围综述

《Environmental Science and Ecotechnology》：Wastewater Mining for Circular Potassium Fertilisers: A Critical Scoping Review of Technologies, Product Formulations, and Up-scaling Challenges

　　

研究人员通过对110项研究的范围综述（scoping review）发现，废水中钾（K）回收仍主要局限于实验室规模。钾鸟粪石（K-struvite）和电渗析（electrodialysis，ED）在实际废水基质中面临严重的反离子（NH₄⁺和Na⁺）干扰及结垢（scaling）问题。废水特性决定回收产物类型：高浓度水流（concentrated streams）倾向于生成固态钾化合物，而低浓度出水（dilute effluents）则倾向于产生液态钾。工艺放大需要满足肥料污染物限量、开展连续中试试验，并进行可靠的生命周期评价（life cycle assessment，LCA）。

该论文发表于《Environmental Science and Ecotechnology》，作者为Cora Eichholz和Heidrun Steinmetz，是一篇采用Joanna Briggs Institute（JBI）范围综述方法（scoping review）的研究。

**研究背景与目的**：全球农业正面临粮食需求增加、化肥过量使用与气候变化加剧的多重挑战。钾（K）是植物和人体必需的营养元素，但商业钾肥主要来自可溶性钾矿；2022年全球钾肥产量折合K₂O达42,914,224吨，氯化钾（KCl）价格自2020年以来大幅上涨且未回落。传统钾矿开采通过盐尾矿淋溶和高盐废水排放污染水体，德国Werra和Weser河已因钾矿活动而制定K浓度限值。因此，从废水中回收钾作为循环肥料具有吸引力，例如一座服务10万人口当量（population equivalents，PE）的污水处理厂（wastewater treatment plant，WWTP）理论上每天可回收最多490 kg K。然而，相关研究分散于不同废水类型、回收工艺和潜在产物中，已有综述多聚焦于磷（P）、氮（N）回收或单一技术（如钾鸟粪石）。为填补该空白，研究人员按PCC框架（Population, Concept, Context）界定了六个研究问题并开展范围综述。

**主要方法**：研究人员于2025年4月23日在Scopus数据库检索“potassium AND recovery AND wastewater”，初筛保留52篇；利用AI辅助文献发现工具Research Rabbit通过引文网络扩展，补充63篇；共评估115篇，排除无法获取的5篇，最终纳入110篇。数据用Microsoft Excel和Citavi提取，按JBI建议进行描述性综合而非定量meta分析；同日以“phosphorus AND recovery AND wastewater”比较检索，得到1,904篇。该研究无临床样本队列，研究对象为已发表文献。

**研究结果**：
**3.1 文献筛选（Selection of Publications）**：通过Scopus检索和Research Rabbit引文扩展，最终纳入110篇文献；比较显示磷回收文献量约为钾回收的6倍，表明废水钾回收仍是被忽视的研究领域。
**3.2 出版物类型与技术层次（Types of Publication and Technology Level）**：钾回收文献自2016年起增加，2023年达15篇；109篇为同行评议论文（含20篇综述）、1篇博士论文、1篇书章。61篇为实验室规模，11篇为中试规模，无示范规模；一项被定义为全规模的应用实际规模存疑。各文献对实验室/中试规模的界定模糊，缺乏统一标准，给比较带来困难。
**3.3 废水类型（Types of wastewater）**：研究集中于尿液（48篇，含综述）和畜禽废水（11篇），因其K浓度多高于1000 mg L^?1；工业废水中厌氧消化后的橄榄磨废水和垃圾渗滤液浓度高（>1500 mg L^?1）。市政主流仅4篇研究，K浓度低但流量大。许多实验使用合成废水，未充分考虑真实基质中反离子的干扰，限制了对放大行为的判断。
**3.4 回收技术（Types of recovery technology）**：94篇文献涉及11种技术。湿化学法中的钾鸟粪石（K-struvite，MPP；KMgPO₄·6H₂O）沉淀（40篇）和离子交换（ion exchange，IEX）（15篇）最常见，电渗析（electrodialysis，ED）（17篇）其次；膜分离（反渗透reverse osmosis，RO、正渗透forward osmosis，FO）、蒸发、水热液化（hydrothermal liquefaction，HTL）、混合电容去离子（hybrid capacitive deionisation，HCDI）和微生物燃料电池（microbial fuel cell，MFC）等较少。K-struvite沉淀受NH₄⁺和Na⁺竞争干扰，尚未建立标准摩尔比；IEX研究多限于吸附，解吸和长期稳定性研究不足；ED回收率范围为13%–95%；多数研究为单次运行，长期试验少。
**3.5 钾肥产品类型（Type of K fertiliser）**：52篇报道固态肥料，其中K-struvite 41篇、生物炭6篇、未定义5篇；10篇报道液态肥料（如KCl、KOH、N-P-K溶液）。K含量报告单位不一致（wt%、mol%、mg L^?1），仅4篇以质量百分比报告。依据欧盟肥料产品法规（EU Fertilising Product Regulation），目前只有沉淀磷酸盐肥（包括MPP）可作为复合固体无机大量元素肥料获批；产品污染物表征很少，仅2篇考虑重金属，无研究考察微生物，有机微污染物风险需关注。

**讨论与展望**：尺度放大面临结垢、污堵、化学药剂需求、高能耗、操作复杂性和对进水组成敏感等挑战。RO/FO因在其他领域已有规模应用而放大可行性较高；IEX和ED仍处于概念验证阶段。不同废水应匹配不同产物：高浓度营养流（尿液、沼液）宜生产复合肥，WWTP出水适合生产单一钾液态肥。迄今尚无专门针对废水钾回收的生命周期评价（life cycle assessment，LCA）研究；未来应在提高技术成熟度的同时尽早纳入LCA，并探索组合工艺协同。

**结论**：废水钾回收是一个不断发展且具有潜力生产多种可持续肥料的研究领域。由于传统钾矿开采环境影响大且粮食安全需求上升，需开发替代方案。当前研究仍以实验室和中试规模为主，且实验室/中试划分模糊；未来需在真实废水条件下验证工艺、推进放大和现有污水处理厂集成、明确评估肥料质量，并开展长期研究和生命周期评价。研究应更多关注K-struvite以外的产品（如液态或单一营养肥料），从一开始明确回收产物，并按欧盟法规考察重金属和有机微污染物等潜在污染。