第一作者：潘芳慧

通讯作者：马杰、朱洪光

通讯单位：同济大学、喀什大学

论文DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.170969

摘要图：

1、全文速览

本研究针对沼液资源化处理中的膜污染严重、能耗高、产物价值低等核心挑战，创新性地提出并验证了一套中试规模的脱色超滤-电渗析（DUFM-ED）耦合分级工艺。该工艺展现出卓越的抗污染性能（清洗后通量恢复率84.11%）与低能耗特性（综合能耗8.7 kWh·m^-3），技术经济评估揭示其处理每立方米沼液可产生约1.41美元净收益并实现6.61 kgCO₂当量的碳减排，为沼气行业的循环经济实践提供了兼具技术可行性、经济吸引力与环境效益的可持续解决方案。

2、背景介绍

沼气工程在替代化石燃料、减少温室气体排放方面发挥着重要作用。然而，厌氧消化产生的大量高浓度沼液（BS）因其处理成本高、土地利用受限和资源价值低，已成为制约行业可持续发展的瓶颈。沼液富含氮、磷、钾及腐殖酸、蛋白质类有机质，是潜在的资源宝库。传统膜技术（如微滤、超滤、反渗透）在处理沼液时，常面临膜污染迅速、能耗高昂、以及无法将有机养分与无机养分分离等问题，导致最终浓缩液成分复杂、价值低下。

脱色超滤膜（DUFM）作为一种混合荷电膜，在分离有机大分子与无机盐方面展现出独特潜力；电渗析（ED）则是选择性回收无机离子的有效手段。然而，将两者耦合用于沼液养分的分级回收与增值化，此前未见系统研究和工程验证。本研究旨在开发并验证DUFM-ED耦合工艺，以解决沼液处理中组分分离难、膜污染重、能耗高三大痛点，实现从“废物处理”到“资源回收”的战略转变。

3、图文解析

Fig. 1. This is the main framework of nutrient recovery from biogas slurry (BS).

图1展示了从原始沼液到最终高价值产品（有机肥浓缩液、氮钾浓缩液、纳米碳酸钙）的完整技术路径。其中，本研究聚焦的核心环节是DUFM分离回收有机质与ED选择性迁移回收氮钾离子。

Fig. 2. Separation and recovery of organic matters (OMs) and permeation of inorganic ions from biogas slurry (BS) were conducted using pilot-scale DUFM. The relevant test indicators are as follows: (a) COD concentrations of the influent, permeate and retentate; (b) recovery rate and concentration ratio corresponding to OMs, (c) concentrations of cations (NH₄⁺, K⁺, hardess(Ca²⁺)) and anions (TP, Cl-, alkalinity (HCO₃^-)) across the influent, permeate and retentate; (d) rejection rate and concentration ratio of inorganic ions, together with the measured conductivity.

图2显示DUFM对沼液中有机物与无机离子的分离性能。结果表明，DUFM（截留分子量500 Da）能高效截留约80%的化学需氧量（COD）及86-89%的类蛋白/类腐殖质有机物，实现近5倍的浓缩因子。同时，其对NH₄⁺、K⁺等无机离子的截留率很低（<20%），允许其自由透过，从而实现了有机物与无机盐的初步分离。

Fig. 3.Conductivitychangesovertimeinthedilute and concentratecompartmentsof EDduringbatch treatmentofDUFMpermeate.(a)-(c) Conductivity variations with time in the dilute compartment and concentrate compartments A, B, and C from the first, second, and third tests, respectively; (d) Separation of OMs and ions from BS by DUFM, and migration of NH₄⁺and K⁺in ED.

Fig. 4.NH₄⁺electromigrationfrom the dilute to concentrate compartmentsin ED batch teststreatingDUFM permeate(a-c);NH₄⁺recovery rate andconcentration ratio(CR)(d).

Fig. 5.K⁺migrationfrom the dilute to concentrate compartments of EDin batch teststreatingDUFMpermeate(a-c);K⁺recovery rate andconcentration ratio (CR)(d).

图3-5展示ED系统对氮、钾离子的迁移与回收动力学。研究表明，采用三级浓缩槽设计的ED系统能有效从DUFM透过液中迁移NH₄⁺和K⁺。经过多批次运行，NH₄⁺和K⁺的回收率均超过90%，并在A级浓缩槽中分别富集至约6450 mg·L^-1和6050 mg·L^-1的高浓度，满足制备液体肥料的要求。

Fig. 6.Membrane fluxineach batch test of 5 m³rawBS in the DUFMunder 5-7 bar operating pressure (a); Membrane flux decline (FD) and flux recovery (FR) (b); Transfer rates of NH₄⁺, K⁺and their total concentration, and current efficiency (CE) (c-e);anddesalination rate (DR) in the ED compartment over time(f).

图6显示DUFM-ED工艺的抗污染性能与离子迁移效率。DUFM在长期运行中通量下降缓慢（通量衰减24.4%），经简单清洗后通量恢复率高（84.1%），证明了其优异的抗有机污染能力。ED过程中，NH₄⁺的迁移速率优于文献报道值，且平均脱盐率高达0.93 ms·cm^-1·min^-1，是同类ED处理沼液工艺的20倍以上，这主要得益于DUFM预处理有效去除了导致ED膜污染的主要有机物质。

Fig. 7.DUFMenergy consumption overtimein different batch testsunder 5-7 bar operating pressure (a-b); ED specific energy consumptionovertimeindifferent batchtests (c);energy consumption per kilogramof recoveredNH₄⁺or K⁺,andper cubicmeter of BS (d).

图7说明工艺能耗分析。整个DUFM-ED耦合工艺的综合能耗为8.7 kWh·m^-3，其中DUFM单元占29.3%，ED单元占70.7%。该能耗较传统的超滤-反渗透（UF-RO）工艺降低了58-72%，体现了显著的节能优势。

Fig. 8.Investment cost and product revenue analysis (a); Economic sensitivity analysis of capital investment and product revenue for the combination process of DUFM and ED (Equipment cost (EC) (b); Equipment maintenance & disposables (EM & D); Electricity (E); Chemical reagent fee (CRF); Water charge (WC); Labor cost (LC); Fee for secondary processing of products (FSPP); Total investment cost (TIC); Large molecular DOM concentrates (LM DOM C); NH₄⁺and K⁺concentrates (N and K C); Total income (TI); Net profit (NF)), Economic benefit and carbon reduction of fractional grading process for BS nutrient recovery vs. direct land application and multi-stage anaerobic/oxic (AO) biochemical treatment (c); and Funan, China engineering project for BS nutrient recovery via fractional grading progress (including DUFM and ED) (d).

图8显示技术经济与环境效益评估。经济分析表明，该工艺处理每立方米沼液的总成本为14.60美元，而产出的有机肥浓缩液和氮钾浓缩液价值达16.01美元，净收益约1.41美元·m^-3。与直接农灌或生化处理相比，该工艺不仅能实现盈利，还能减少6.61 kgCO₂·m^-3的碳排放。在阜南示范工程（200吨/天）规模下，年经济效益可达10.3万美元，碳减排482吨。研究进一步估算了该技术在全国乃至全球沼气行业推广的巨大经济与环境潜力。

4、总结与展望

本研究成功开发并验证了一种高效、低耗、抗污染的DUFM-ED耦合分级工艺，用于沼液的深度资源化。该工艺通过DUFM高效分离并浓缩有机大分子，再通过ED选择性回收无机氮钾离子，实现了沼液中有机与无机养分的“分质回收、各自增值”。中试规模运行证实了其出色的分离效率、运行稳定性、经济可行性和碳减排效益。

这项工作不仅为沼液乃至其他高浓度有机废水的资源化处理提供了创新性的技术范例，也为推动沼气产业向循环经济模式转型奠定了坚实的技术与数据基础。未来研究可聚焦于更高性能的抗污染膜材料开发、工艺智能控制优化，以及终端高价值肥料产品链的延伸，以进一步提升系统的整体效益和市场竞争力。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.170969