综述：从养分回收到肥料产品质量：基于氮含量的粪液成分管理框架

《Journal of Environmental Management》：From nutrient recovery to fertilizer product quality: A nitrogen-quality framework for manure-derived liquid fraction management

　　

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摘要

源自粪肥的液相组分越来越被视为回收肥料生产的原料，但其升级过程仍常常通过以技术为中心的指标来评估，如氮去除率、回收效率或总氮浓度。这些指标对于工艺评估是必要的，但它们并不能说明处理后的流体是否是一种可靠的肥料产品。本综述为源自粪肥的液相组分开发了一个氮质量框架，并定义了五个与产品相关的维度：氮形态、基质纯度、营养密度、成分平衡以及稳定性和一致性。根据这些维度，对固液分离、生物硝化、物理化学回收、膜浓缩和混合处理工艺进行了评估。研究表明，没有单一工艺能够优化所有与肥料相关的属性。在需要富含硝酸盐的液体时，硝化工艺是有效的；而对于浓缩铵产品来说，脱氨和吸收工艺更为合适；膜系统适用于混合营养浓缩液和高纯度液体；而对于本地有机矿物肥料的使用，低强度稳定化处理也是适当的。所提出的框架将评估重点从单纯的养分回收转向了适合特定用途的肥料产品质量。

引言

畜禽粪便既是一个处理挑战，也是氮（N）、磷（P）、钾（K）、有机物和其他植物养分的高浓度来源。将这些养分重新引入农业可以减少对矿物肥料的需求，并限制养分向水体、土壤和空气中的流失（Sutton等人，2013年；Schoumans等人，2015年；Van Dijk等人，2016年；Vaneeckhaute等人，2017年；Huygens等人，2020年；Cordeiro和Sindh?j，2024年；Chojnacka和Moustakas，2024年）。在畜禽养殖密集地区，这种需求尤为明显，因为当地的养分需求与粪便产量往往不匹配，导致养分在整个粪便管理过程中流失（Oenema等人，2007年；Velthof等人，2014年；Buckwell和Nadeu，2016年）。一旦养分逃离农业循环，其后果会波及受影响的水体。在受农业影响的地区进行的空间监测研究表明，地表水中的NH₄⁺-N、NO₃^?-N和总氮（TN）含量存在显著差异，这说明了控制养分扩散流失及其环境后果的重要性（Al-Shaibah等人，2021年；Liu等人，2022a）。源自粪肥的液相组分在此问题中起着核心作用，因为它们含有大量的可溶性氮和钾，比原始浆液更容易泵送和施用，并且是在固液分离、厌氧消化、机械脱水或进一步养分回收处理过程中产生的（Hjorth等人，2010年；M?ller和Müller，2012年；Drosg等人，2015年；Akhiar等人，2017年；Camilleri-Rumbau等人，2021年；Nayak和Ranade，2025年）。

节选内容

综述范围

本综述重点关注源自畜禽粪便及其消化物的液相组分，包括从原始浆液分离得到的液体、消化物脱水后得到的液体、经过机械分离的粪便，以及为养分回收或肥料生产而进一步处理的液体。这些流体在来源上有所不同，但大多数在液相中仍保留着可溶性氮和钾，而纤维状和颗粒状有机物则部分与固相一起被去除，具体取决于原料和分离方法。

以铵为主的氮和有限的产品灵活性

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在典型的储存和处理条件下，许多源自粪肥的液相组分以总氨氮（TAN）为主，主要是NH₄⁺-N。从农艺角度来看这是有用的，因为铵是植物可利用的养分，而且当施用管理得当时，这些消化液可以替代部分矿物氮（Alburquerque等人，2012年；M?ller和Müller，2012年；Sigurnjak等人，2017年）。问题在于铵并不是一种中性的氮载体。随着pH值和温度的变化，NH₄⁺/NH₃的平衡会向游离氨方向移动。

固液分离和原料预处理

固液分离不仅仅是一个初级体积缩减步骤。它决定了进入后续每个工艺的基质性质。通过去除纤维、悬浮固体和部分颗粒状有机物，它可以改善液体的处理性能，并使其更适合硝化、膜浓缩或高价值肥料的应用（M?ller等人，2000年；Hjorth等人，2010年；De Vries等人，2015年；Fangueiro等人，2015年）。同时，它还影响了养分的分配。

从产品出发

处理工艺的选择通常从某种技术开始：固液分离、硝化、脱氨、沉淀或膜过滤。而一种以产品为导向的方法则会反过来思考：需要什么样的肥料产品，以及必须达到哪些氮质量指标？如果目标是需要富含硝酸盐的液体肥料，那么关键问题是稳定地将NH₄⁺-N转化为NO₃^?-N，并确保盐度和储存性能符合要求。如果目标是以铵盐为主的溶液，则需要关注营养密度和回收率。

经济可行性和规模

经济可行性取决于整体产品路径，而不仅仅是单个工艺。固液分离通常是最简单的选择，对于本地使用来说可能是合理的，因为它可以改善液体的处理性能和后续工艺的可行性（M?ller等人，2000年；Hjorth等人，2010年；Kova?i?等人，2022年）。硝化工艺需要曝气、pH值和碱度控制以及生物质保留。脱氨-吸收工艺可以生产浓缩铵产品，但需要调整pH值、控制热量和防结垢现象。

标准化的氮质量报告

一个持续的不足之处是报告结果的不一致性。许多研究仅提供总氮（TN）、总氨氮（TAN）或回收效率，但很少报告完整的氮形态、基质组成、盐度、稳定性和产品可用性等数据。最低要求的流级数据应包括pH值、电导率（EC）、总固体（TS）、悬浮固体（TSS）、化学需氧量（COD）或有机碳、碱度、总氮（TN）、总氨氮（TAN）、硝酸盐氮（NO₂^?-N）、亚硝酸盐氮（NO₃^?-N）、磷（P）和与盐度或结垢相关的离子。产品级别的报告还应包括单位体积的营养浓度、营养比例和pH值变化。

结论

源自粪肥的液相组分不应仅仅被视为废水或养分回收流，还应被视为潜在的肥料产品或中间体。它们的价值取决于多种因素，而不仅仅是总氮浓度或回收效率。本综述提出的氮质量框架确定了五个与肥料产品性能相关的维度：氮形态、基质纯度、营养密度、成分平衡以及稳定性和一致性。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国农业、食品和农村事务部（MAFRA）的财政支持，作为智能农业多部门创新技术发展计划（项目编号RS-2025-02219687）的一部分。