近日，我院固废减量及资源化团队在餐厨垃圾养分全量回收利用研究领域取得重要进展。相关成果以“Hydrochar-nanocomposite membrane combined hydrothermal pretreatment for nutrient upcycling from anaerobic digestate”为题发表在环境领域的知名顶级期刊Water Research上（https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123212）。团队博士研究生张润毫为该论文第一作者，边博教授为通讯作者，南京师范大学环境学院为第一单位和通讯单位。
研究进展
资源的高效回收循环是保证粮食生产和减轻生态系统负担的关键所在。本研究将水热预处理与聚偏氟乙烯（PVDF）-水热炭纳米复合膜相结合，实现餐厨垃圾近乎完全的资源化利用。双功能化预处理将靶向转化/富集与吸附/过滤相结合，有效地克服了现有养分膜浓缩技术存在的养分回收选择性低、通量低、成本高等局限。在较宽的pH范围内（3-11），优化后镧掺杂水热炭（LKIH）的磷回收率超过99%，具有出色的养分回收潜力（超过289.71 mg P/g）。革新的纳米复合膜设计在三个原位再生循环中成功处理了超过1000床体积的高磷浓度（28.9 mg/L）沼液，与原始PVDF膜（36床体积）相比，膜利用率提高了近30倍。纳米复合膜的耐久性和抗污性通过包含配体交换和截留的协同机制得到增强，同时也改善了纳米复合膜的表面性能。这促进了养分（99.33% P和50.81% N）的选择性和高效回收，并使厌氧消化次生废物的转化升级实现转亏为盈（28.51美元/吨）。本研究为解决磷短缺危机提供了新的解决方案，并促进了有机废物管理与低碳增值处理的高效整合（图1）。
图1 图文摘要
厌氧消化技术发展和应用的瓶颈之一是大量厌氧消化次生废物（沼液（BS）和沼渣（KD））的合理处置。这些副产物富含氮、磷和有机质，同时也含有大量盐分和有害细菌，因此需在应用前进行养分富集和回收。在各种养分富集技术中，膜分离以其操作简单和适应性好而著称。然而，低养分回收选择性和膜孔易堵塞等局限性阻碍了膜技术的发展和应用。近来，高分子膜与高性能吸附材料相结合的改性高分子非均相膜因其原位调节和高成本效益的优势而受到广泛关注。此外，低温水热预处理有利于大分子污染物的分解。因此本研究推测预吸附和预处理技术的双重功能化改进集成将增强膜系统的操作性能，提高膜的养分截留效率和抗污染能力。
图2 不同温度水热处理对产物中磷的影响。(a)水热处理前后BS中P的比例，(b)不同温度下水热炭产率和P回收率；(c)不同P种类在KD及其衍生水热炭中的分布；(d)磷的生物利用度变化
水热反应后，较大尺寸的长链有机磷酸盐/胶体P（1-450 nm）降解为较小尺寸的正磷酸盐（0.46 nm），利于富微孔水热炭KIH/LKIH强化磷的回收。由于沼渣KD中不稳定有机物的逐渐分解，衍生水热炭的产率随着温度的升高而降低（图2）。相反，磷回收率呈增加趋势（最高77.35%)，主要是由于系统pH值随着无机矿物和灰分的增加而增加，而碱性条件更有利于P向固相迁移。基于磷回收率、炭产率和磷生物利用度三个指标，确定KD的最优水热炭化温度为260 ℃。
图3 沼液中养分的动态回收。(a)固定床柱示意图；(b)BH200在不同规格的水热炭-PVDF复合膜体系上回收磷的突破曲线；(c)进水和出水主要养分参数的变化；(d)动态柱吸附实验的养分回收率。（BV：床体积，斜线阴影组为LKIH-M系统处理组）
不同与以往低磷浓度（2-5 mg/L）的模拟水/河水研究，本研究选用磷酸盐浓度较高的水热处理后沼液为处理对象，评估了不同PVDF-水热炭组合设计（KIH-M和LKIH-M）在动态养分回收操作中的运行可行性和工程应用潜力。多层纯PVDF的有效处理量仅为36 BV，而KIH-M和LKIH-M的单次有效处理量分别达到117 BV和410 BV（图3）。经过3次动态吸附-原位解吸循环后，LKIH-M的累积再生效率超过了初始有效养分回收率的62.4%，且养分回收后镧掺杂水热炭LKIH的盐度没有明显增加。革新设计表现出预想的磷酸盐回收偏好，特别是LKIH-M对总磷/无机磷的回收率，约为总氮/铵态氮的五倍（图3c和图3d）。
图4 改进组合工艺对磷酸盐的回收机制
改进组合工艺将BS中大分子有机磷酸盐/胶体P转化为小尺寸的HPO42−和PO43−，并通过优化孔隙设计拓宽了水热炭的微孔/介孔，提高了养分的回收效率。此外，LKIH较高的零电荷点pHpzc表明在较宽的pH范围内，磷酸阴离子可以通过静电吸引在带正电的复合纳米材料表面富集。相关表征结果和机理验证表明，配体交换、氢键、微孔截留和球内络合的共同作用是PVDF-水热炭复合膜有效回收磷酸盐的主要机制（图4）。
图5 革新工艺全链条的养分流动和推广效益。(a)闭环升级循环系统中的养分流，(b)全国各省份碳减排潜力变化，(c)江苏省各市碳减排潜力变化
利用沼渣源水热炭从沼液中回收养分，创新餐厨垃圾闭环升级循环系统可有效地消耗厌氧次生废物，实现99.33%的P回收率（图5a）。通过进一步核算中国各省和江苏省各市在推广改进工艺后的碳减排潜力（图5b和5c），发现沿海和人口密集地区有望对碳中和做出重大贡献，江苏南部地区由于其高人口密度和发展水平，将拥有更大的减碳潜力。
本研究提出以废治废，以可忽略不计的排放实现了餐厨厌氧次生废物中养分近乎100%的升级循环。与现有工艺相比，改进后的工艺设计具有良好的工程前景和经济竞争力，整体环境效益显著（封存55.14%的碳）。本研究为解决养分失衡危机和有效处理易腐固体废物提供了可行的选择，也为膜表面功能化的原位调控提供了新视角。
该工作得到了江苏省社会发展项目（BE2022604和BE2022607）、江苏省研究生科研创新计划项目（KYCX24_1882）以及国家重点研发计划项目（2023YFC3207105）的资助。
