《Journal of Water Process Engineering》：Circularity of nutrient recovery technologies in hydroponics: A systematic review
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水培系统因高效节水、低化肥农药使用和高产量而受关注，但其排放的富营养化废水需回收技术。综述分析发现，水培废水中铵、硝酸盐、磷酸盐等浓度较高，可通过物理、化学、生物及藻类培养等回收技术实现循环利用，其中藻类培养因可同步回收营养和产生物质被证实最具潜力。
维克托·维卢瓦·肯加（Victor Viluwa Kenga）|野村洋平（Youhei Nomura）|张婉妮（Wanni Zhang）|洛伦佐·维克托·洛克松·托塔涅斯（Lorenzo Victor Locson Tota?es）|平冈正典（Masanori Hiraoka）|藤原卓（Taku Fujiwara）
日本京都府西京区京都大学桂町，京都大学工学研究生院环境工程系，邮编615-8540
摘要
由于水利用效率高、肥料投入少、化学农药需求低以及单位面积产量高于土壤农业，水培系统越来越受欢迎。然而，水培系统会向环境中排放富含营养物质的废水，这可能导致接收水体富营养化。尽管已有许多研究探讨了废水质量及营养回收技术，但综合分析废水质量、营养回收技术及其在循环经济中作用的综述仍然有限。因此，本研究进行了系统的文献回顾，以评估水培废水的性质、用于营养回收的技术及其对水培循环经济的贡献。研究发现，水培废水中含有铵、硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐、钾、钠、钙和镁，其浓度分别为22.6 ± 36 mg N/L、287 ± 238 mg N/L、0.0798 ± 0.08 mg N/L、75.5 ± 75 mg P/L、429 ± 401 mg K/L、156 ± 158 mg Na/L、301 ± 289 mg Ca/L和90 ± 72 mg Mg/L。用于从废水中回收营养物质的技术包括高岭土-铁交联海藻酸盐珠、电凝聚、肥料驱动的正渗透结合化学沉淀、生物电化学处理、反硝化、人工湿地、序批反应器和藻类培养。其中，藻类培养被认为具有促进水培循环经济的潜力。
引言
世界人口的增长增加了对食物的需求，进而导致了农业的集约化。研究表明，农业占全球用水量的大约70%[1],[2],[3]。鉴于气候变化加剧了水资源短缺问题，这种水平的用水可能不可持续。此外，化肥生产需要大量资本投入，且既耗能又污染环境，占全球人为二氧化碳排放量的1.2%[4],[5]。此外，磷是作物生长和食品生产所需的重要营养物质，但它是不可再生的[6],[7]。因此，目前磷和氮的提取、利用及最终排放到环境中的线性模式是不可持续的。转向循环经济模式（即将废流中的营养物质回收再利用）是非常必要的，因为这可以减轻对自然资源和环境的压力。
为此，人们开发了诸如滴灌、交替沟灌、亏缺灌溉和水培等创新农业方法[13],[14],[15],[16]。其中，水培技术通过在营养液中种植植物（有时使用砾石、蛭石、岩棉、泥炭藓、锯末、椰壳纤维等惰性介质提供机械支撑）而受到欢迎[16],[17]。这种技术不仅节水，而且肥料投入少，减少了化学农药的需求，并提高了单位面积的产量[11],[12]。然而，水培系统会向环境中排放富含硝酸盐和磷酸盐的废水[18],[19],[20]，可能加剧接收水体的富营养化。因此，在废水排放到环境之前有必要从中回收这些营养物质。
有多种技术可用于从水培废水中回收营养物质，包括高岭土-铁交联海藻酸盐珠、电凝聚、肥料驱动的正渗透（FDFO）结合化学沉淀、单独的化学沉淀、化学沉淀结合藻类培养、生物电化学处理、反硝化、人工湿地、序批反应器和藻类培养[18],[21],[22],[23],[24],[25],[26],[27]。这些技术要么将营养物质同化到生物量中，要么以污泥形式沉淀，要么将其转化为氮气[27],[28],[29]。尽管有关废水质量和营养回收技术的研究已经存在，但综合分析废水质量、营养回收技术及其在循环经济中作用的综述仍然有限。本综述的目的是评估水培废水的性质、用于营养回收的技术及其对水培循环经济的贡献，以帮助相关决策者做出明智的决策。
文献检索
地理分布与研究趋势
本综述涵盖的研究遍布各大洲，如图2所示。亚洲的研究数量最多，其中韩国占比最高，其次是日本、印度和泰国，三者并列第二。欧洲的研究数量位居第二，波兰领先，芬兰紧随其后。大洋洲的研究数量也较多，新西兰贡献最多，其次是澳大利亚。出版趋势表明...
营养回收方法
已经应用了多种方法从水培废水中回收营养物质。本研究根据这些方法的主要运作原理和功能转换方式对其进行分类：主要由物理力量驱动的技术归为物理方法；主要由化学反应驱动的技术归为化学方法；依赖活细胞或生物体的技术归为生物方法...
概述
藻类是真核水生光合生物，根据大小和形态可分为微藻和大型藻类[76],[77]。微藻是单细胞且肉眼不可见，而大型藻类是多细胞生物，长度可超过50米[78],[79]。此外，大型藻类具有假叶、茎和根[80],[81]。藻类在固定二氧化碳和从水中吸收营养物质以产生生物量方面发挥着重要作用...
结论
总体而言，文献表明水培废水中含有铵、硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐、钾、钠、钙和镁，其浓度分别为22.6 ± 36 mg N/L、287 ± 238 mg N/L、0.0798 ± 0.08 mg N/L、75.5 ± 75 mg P/L、429 ± 401 mg K/L、156 ± 158 mg Na/L、301 ± 289 mg Ca/L和90 ± 72 mg Mg/L。可以通过多种技术从水培废水中回收营养物质，包括高岭土-铁交联海藻酸盐珠...
未来展望
作为一种不可再生资源，全球磷储量正在减少，而化肥生产成本高昂且对环境造成负担。这可能威胁到水培系统长期使用营养液的供应，凸显了需要开发能够将营养物质循环利用到可重复使用的水培溶液中的技术。在现有选项中，藻类培养在营养回收方面显示出巨大潜力...
CRediT作者贡献声明
维克托·维卢瓦·肯加（Victor Viluwa Kenga）：撰写初稿、可视化设计、方法论制定、数据整理、概念构思。
野村洋平（Youhei Nomura）：撰写与编辑、验证、监督、方法论制定、数据整理、概念构思。
张婉妮（Wanni Zhang）：撰写与编辑、验证、数据整理。
洛伦佐·维克托·洛克松·托塔涅斯（Lorenzo Victor Locson Tota?es）：验证、方法论制定。
平冈正典（Masanori Hiraoka）：撰写与编辑、验证、资金筹集。
藤原卓（Taku Fujiwara）：撰写与编辑、监督、方法论制定。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本工作时，作者使用了基于ChatGPT-4的AI科学研究辅助工具Consensus，以提高手稿的可读性和语言表达。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了日本内阁府的“下一代温室园艺（IoP）”项目资助，以及JST（Japan Science and Technology Agency）的JPMJPF2405项目资助。
