《Sustainable Materials and Technologies》：Rapid microwave-assisted leaching for the recovery of lithium from pegmatite heaps containing mixture of lepidolite and zinnwaldite
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本研究评估了利用超滤（UF）和反渗透（RO）浓缩奶牛养殖废水中产生的颗粒有机肥料。通过土壤柱淋失试验和环境影响分析，发现UF浓缩液能增强土壤有机质，减少温室气体排放达97%，RO浓缩液作为营养源成本效益高，支持循环经济。
塔伊丝·吉拉尔迪·卡尔帕内兹（Thais Girardi Carpanez）|莉维亚·M.C. 卡斯特罗（Livia M.C. Castro）|布鲁娜·L. 莫雷拉（Bruna L. Moreira）|朱莉娅·B.L.S. 卡内罗（Julia B.L.S. Carneiro）|埃杜阿尔达·V.S. 戈麦斯（Eduarda V.S. Gomes）|费尔南达·R.C. 达马塞诺（Fernanda R.C. Damasceno）|马塞洛·H. 奥特尼奥（Marcelo H. Otenio）|乔纳塔斯·B.G. 席尔瓦（Jonathas B.G. Silva）|朱利奥·C. 巴拉里尼（Julio C. Balarini）|米里亚姆·C.S. 阿马拉尔（Miriam C.S. Amaral）|维克托·雷赞德·莫雷拉（Victor Rezende Moreira）
米纳斯吉拉斯联邦大学卫生与环境工程系，巴西米纳斯吉拉斯州潘普利亚校区安东尼奥·卡洛斯大道6627号
摘要
本研究评估了利用乳制品废弃物（牛粪和乳牛废水）生产颗粒有机肥料的可能性。废水通过超滤（UF）与反渗透（RO）结合进行预处理，以浓缩营养物质（氮、磷和钾）并回收水分，从而提高工艺的可持续性。浓缩后的液体被加入固体残渣中，用于颗粒化过程以生产有机肥料。这些有机肥料根据其养分释放潜力（通过土壤柱淋溶试验）、土壤施肥潜力以及环境影响（避免污染和温室气体排放）和经济效益进行了评估。肥料中养分含量的增加提高了其使用的可行性，因为减少了施用和运输所需的量。使用超滤浓缩液制成的肥料有助于增加土壤中的有机质，使其特别适合作为土壤改良剂。另一方面，反渗透浓缩液制成的肥料主要作为养分来源，满足植物的即时需求。柱淋溶试验表明，颗粒有机肥料能够增强表层土壤（0–10厘米）中的养分保持能力，减少深层土壤中的养分流失。与焚烧相比，土壤施用方法导致的温室气体（CO?和N?O）排放量降低了32倍，相当于减少了约97%。颗粒有机肥料的成本也较低（每公顷0.26–0.45美元），其中基于反渗透技术的配方最为经济。总体而言，研究结果证明了利用乳牛废弃物生产颗粒有机肥料在技术、环境和经济方面的可行性，符合循环经济的原则。
引言
当前不可持续的消费模式和无节制的环境开发正在推动气候变化、水资源枯竭和农业生产力下降，这凸显了向整合社会、经济和环境维度的可持续经济转型的必要性[1]、[2]。虽然讨论往往集中在能源领域，但农业既是主要的排放源，也是一个脆弱领域，这主要是由于高氮投入的作物产生的氧化亚氮（N?O）排放。氧化亚氮的全球变暖潜力约为二氧化碳（CO?）的298倍，可能占全球变暖的7%以上[3]、[4]。尽管氮肥对产量和经济回报至关重要，但过量施用会降低氮的利用效率，增加氨（NH?）挥发和硝酸盐（NO??）淋溶以及N?O排放，加速环境退化[5]、[6]。粪便和合成肥料每年排放的碳相当于26亿吨，占全球温室气体排放总量的约2.5%（其中1%来自制造过程，1.5%来自田间施用）[7]。在整个生命周期中，约38.8%的排放发生在制造阶段，58.6%来自田间施用后的N?O释放，2.6%来自运输和分配[8]。
因此，缓解气候变化的同时，也有助于实现其他可持续性目标，如生物多样性保护和生态系统恢复。在这方面，利用农业工业废弃物制成的有机肥料是一种提高农业可持续性和减少对合成肥料依赖的可行策略。有机肥料可以改善土壤结构，增强通气条件，促进微生物多样性，从而促进土壤健康和长期生产力，同时将环境影响降到最低[9]、[10]、[11]。鉴于食品系统既是主要的温室气体排放源，又容易受到气候变化的影响，改善养分管理对于减少排放和促进可持续生产至关重要。
最近的研究证明了利用有机废弃物生产颗粒肥料的技术可行性和农艺潜力。例如，一项研究[12]评估了添加和不添加生物炭的牛粪和家禽粪的颗粒化过程，确认了这些材料在物理机械性能、养分含量和重金属合规性方面的适用性。值得注意的是，生物炭提高了碳氮比（C/N）并降低了镍浓度，提高了最终产品的质量和安全性。另一项研究[13]提出了一种利用有机污泥和木灰生产颗粒肥料的集成系统，强调了能源和材料效率、储存和运输优化以及市场可行性。经济分析支持了该系统的可扩展性，突显了此类技术的循环经济潜力。基于硫酸氢镁（struvite）的肥料也被探索作为从废水中回收磷的策略。在最近的一项研究[14]中，无需化学添加剂即可形成硫酸氢镁晶体，并使用有机粘合剂成功颗粒化，得到了符合有机农业认证标准的高纯度颗粒，其性能可与商业磷酸盐肥料相媲美。此外，一项关于使用长期堆肥的木质纤维素废弃物和单铵磷酸盐制成的商业颗粒有机肥料的研究[15]表明，这种配方具有更高的磷释放率、更好的热稳定性和均匀的颗粒形态，进一步证明了其在提高养分利用效率和管理有机废弃物方面的有效性。
尽管利用有机废弃物回收生产的颗粒有机肥料具有很大的潜力，但其大规模应用仍受到多种技术、农艺、环境和监管挑战的限制。其中，残留原料的固有异质性阻碍了养分标准化和配方一致性；难以实现适当的颗粒物理质量（如均匀尺寸分布、机械强度和储存稳定性）；以及与养分可用性和矿化动态相关的不确定性，这些都可能影响与作物养分需求的同步性。综上所述，需要综合技术、农艺和监管方面的方法，以提高从回收废液中生产的有机肥料的效率、安全性和可靠性。
在此背景下，本研究评估了将农业工业废弃物回收为颗粒肥料的潜力。选择乳牛养殖行业作为废弃物来源，是因为其全球经济重要性、高废弃物产生量及其相关的环境影响。根据联合国粮食及农业组织（FAO）[16]的数据，2022年全球牛群数量达到了15.5亿头。每头牛每天产生约5.5公斤干粪[17]，其中含有丰富的养分，包括7.89克/公斤的磷、38.45克/公斤的钾[17]、[18]和2–8.1克/公斤的氮[17]、[19]。长期以来，粪便因其高有机质、养分和微生物含量而被用作有机土壤改良剂。除了提供养分外，它还作为碳源，支持根瘤菌活动，并有助于调节酸性土壤的pH值[11]。除了固体粪便外，乳牛养殖每天还会产生约60升废水[20]、[21]，主要来自挤奶、尿液和粪便冲洗。这些废水中含有高浓度的磷（61.7毫克/升）、钾（48.51毫克/升）和其他养分（如氮，但浓度较低）[22]。
为了提高牛粪的养分含量和农艺性能，本研究结合实验研究和数学建模，评估了将膜浓缩的农业工业废水加入粪便中的效果。乳牛废水可以通过基于膜的分离过程（包括超滤（UF）和反渗透（RO）[23]、[24]进行浓缩。超滤可以去除悬浮固体和有机物，同时允许溶解的养分通过膜，从而得到富含养分的渗透液。反渗透则可以保留溶解的养分，有效浓缩养分的同时生成可再利用的水。浓缩后的废水可以加入固体粪便残渣中，生产出有机质含量更高（对于超滤浓缩液）或养分组成更优（对于反渗透浓缩液）的颗粒肥料。与以往主要依赖堆肥、热干燥或添加矿物粘合剂的研究不同，本研究提出将膜浓缩的液体废水既作为粘合剂，又作为养分富集策略，推动了农业工业废弃物循环利用的技术进步。
因此，预计使用这些浓缩液制成的有机肥料将具有与传统有机肥料不同的、更优的特性。这些富含养分的浓缩液可以替代水作为颗粒化过程中的粘合介质，提高配方效率。本研究通过土壤柱淋溶实验、农艺施肥效果和环境影响（包括使用蚯蚓进行的生态毒性测试和温室气体排放量化）进行了全面评估，并补充了肥料使用的经济分析。这种对固体和液体乳制品废弃物的再利用方法代表了促进循环经济、减少对合成肥料依赖性以及开发可扩展、可持续解决方案的创新和综合方法，有利于土壤健康和气候适应性的提升。
材料与方法
图1展示了本研究采用的实验方法流程图。该流程图说明了从乳制品废弃物生产颗粒有机肥料所涉及的顺序和集成阶段，包括基于膜的分离过程处理废水、养分浓缩、将浓缩液加入固体基质、颗粒化以及后续的农业应用。
废水预处理
表1展示了通过超滤和反渗透过程获得的浓缩液的物理化学特性。超滤未能浓缩磷，钾和钠也没有被膜分离出来，而其他成分在浓缩液中的含量较高。乳牛废水中的磷主要以溶解的正磷酸盐（PO?3?）形式存在，由于其低分子量和高溶解度，可以轻松通过膜分离。
最终结论
通过将超滤（UF）和反渗透（RO）浓缩液加入原始粪便中，证明了利用乳制品废弃物生产颗粒肥料的可行性。所得产品根据所使用的浓缩液的不同而表现出不同的特性。超滤衍生的颗粒富含有机质，因此适合作为土壤改良剂，具有长期改善土壤结构和肥力的潜力，包括在退化土壤中的应用。
作者贡献声明
塔伊丝·吉拉尔迪·卡尔帕内兹（Thais Girardi Carpanez）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论、研究、概念化。莉维亚·M.C. 卡斯特罗（Livia M.C. Castro）：初稿撰写、方法论、研究。布鲁娜·L. 莫雷拉（Bruna L. Moreira）：方法论、研究。朱莉娅·B.L.S. 卡内罗（Julia B.L.S. Carneiro）：初稿撰写、方法论、研究。埃杜阿尔达·V.S. 戈麦斯（Eduarda V.S. Gomes）：方法论、研究。费尔南达·R.C. 达马塞诺（Fernanda R.C. Damasceno）：方法论、概念化。马塞洛·H. 奥特尼奥（Marcelo H. Otenio）：撰写 – 审稿与编辑、概念化。
未引用参考文献
[35], [53], [64], [67], [68], [69], [71], [75], [76]
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
本研究得到了高等教育人员改进协调委员会（CAPES）、国家科学技术发展委员会（CNPq）和米纳斯吉拉斯州研究支持基金会（FAPEMIG）的资助。文章发表的相关费用由高等教育人员改进协调委员会（CAPES）提供（ROR标识符：00x0ma614）。为了实现开放获取，作者采用了Creative Commons CC BY许可协议。
