从废弃物到催化剂：利用维维安石（Vivianite）实现“废物处理-废物回收”策略，同时实现磷的回收和磺胺二甲嘧啶（Sulfadiazine）的降解

《Process Safety and Environmental Protection》：From Waste to Catalyst: A “Waste?Treats?Waste” Strategy Using Vivianite for Simultaneous Phosphorus Recovery and Sulfadiazine Degradation

磷回收与抗生素降解协同机制研究：通过猪粪污水中铁磷比优化（2.6）获得高纯度维文石（98.5%回收率），其催化SPC生成多元活性氧（•OH为主）实现磺胺嘧啶（84.1%）高效降解，DFT计算与LC-MS分析揭示羟基化、脱硫基等降解路径，QSAR证实毒性递减趋势。

　　

周凤平|赵楠|王瑞刚|郭美娜|梁家琳|张雷|秦刚|冯大春|刘辉

广东省农业土地污染防治与控制工程技术研究中心，仲恺农业工程学院资源与环境学院，广州，510225，中国

摘要

畜禽废水对环境构成了双重挑战，既是磷等营养物质的污染源，也是像磺胺嘧啶（SDZ）这样的新型污染物的来源。本研究提出了一种循环的“废物处理-再利用”策略，通过从猪粪渗滤液中回收磷（以钒酸铁的形式）并将其作为催化剂用于降解SDZ来同时解决这两个问题。在优化条件下（pH 7，Fe/P摩尔比为2.6），从猪粪渗滤液中回收的钒酸铁回收率为98.5%。随后利用回收的钒酸铁激活过碳酸钠（SPC）以降解SDZ。该双功能系统产生了多种活性氧（ROS），包括羟基自由基（•OH）、碳酸根自由基（CO₃^•?）、超氧阴离子（O₂^•?）和单线态氧（¹O₂），其中•OH是主要物种，在pH 3.00、钒酸铁浓度为300 mg L^?1和SPC浓度为0.50 mM的条件下，30分钟后SDZ的去除率达到了84.1%。通过Fukui函数指数的密度泛函理论（DFT）计算揭示了SDZ分子的位点特异性攻击机制。这一理论预测通过LC-MS分析得到了实验验证，共鉴定出十种主要转化产物。这些产物通过羟基化、脱磺化和开环反应形成，展示了系统中存在的多种降解途径。定量结构-活性关系（QSAR）模型表明，虽然某些中间体具有较高的生物累积潜力，但逐步降解通常会产生毒性较低的产品。这项工作建立了一个可行的循环经济模型，将营养物质回收与微污染物控制相结合，突显了再生钒酸铁在可持续农业废水管理中的潜力。

引言

畜禽废水是一个重要的环境问题，它是磷（P）等营养物质和新型污染物（如磺胺嘧啶（SDZ）的主要来源（Banke等人，2025年；Li等人，2024年；Kümmerer等人，2009年；Li等人，2025年）。这些污染物的同时存在通过富营养化和抗生素抗性的增加威胁着水生生态系统，因此需要综合处理策略来协同解决这两个问题。

传统的磷回收方法主要集中在鸟粪石（MgNH₄PO₄·6H₄）沉淀上（Pinatha等人，2025年；Ramlogan等人，2020年；Yang等人，2025年）。然而，在像畜禽废物这样的复杂基质中应用鸟粪石结晶通常受到狭窄的操作pH范围（通常为8–9）、镁补充的经济负担以及竞争离子的影响（Doyle和Parsons，2002年）的限制。这些限制促使人们探索替代途径，其中钒酸铁（Fe₃(PO₄)₂·8H₂·8H₂结晶成为富含铁的废物流的一个特别有前景的候选方案（Liu等人，2018年；Wang等人，2018年；Zhang等人，2022年）。虽然用纯化学试剂合成的铁基催化剂在污染物降解方面表现出有效性，但对高等级前体的依赖性在碳足迹和资源可持续性方面带来了挑战。相比之下，从畜禽或农业废物流中制备功能性材料具有明显的环境优势，符合基于自然的解决方案（NbS）的原则（Dunlop等人，2024年；“基于自然的解决方案”，2017年）。利用废弃物衍生的钒酸铁作为催化剂，可以将回收的磷和铁升级为高价值的环境工具，而不仅仅是将其作为低级副产品处理。这种方法体现了从线性“废物处置”向循环“资源再生”模型的转变，这是全球和国家可持续生态恢复倡议的核心主题。除了降低经济成本外，这种升级策略还将磷回收与减轻畜禽废水中的药物污染结合起来，为农业生态系统管理提供了全面的框架。评估这些废弃物衍生矿物的性能对于确认其功能与合成材料的等效性以及证明其在应对复杂环境挑战中的实际可行性至关重要。这可能为直接将回收的营养物质矿物作为环境功能材料用于废水处理开辟新的途径，从而建立一种新的“废物处理-再利用”方法。

除了营养污染问题外，畜禽废水还含有大量的抗生素SDZ，这种物质在环境中难以代谢且经常被检测到（Lima等人，2025年；Zhao等人，2025年）。SDZ的持久性直接带来了生态毒性风险，破坏了微生物生态，并推动了抗生素抗性基因的传播，这对水资源安全和生态系统健康构成了多方面的挑战（Cai等人，2025年；Huang等人，2024年；Meng等人，2024年）。由于SDZ稳定的分子结构，其降解非常困难。虽然能够生成活性氧（ROS）的高级氧化工艺（AOPs）是有效的，但许多系统（包括经典的芬顿过程）受到酸性pH要求和催化剂不稳定性的限制（Pignatello等人，2006年）。利用钒酸铁激活过碳酸钠（SPC）提供了一个有吸引力的替代方案。作为过氧化氢和碳酸钠的固体加合物，SPC在运输和储存过程中具有更好的稳定性和安全性（Liang等人，2025年；Wu等人，2025年）。溶解后释放的碳酸根离子提供了内在的缓冲能力，有助于维持接近中性的环境，这与回收的钒酸铁的稳定性高度兼容（Metz等人，2023年）。此外，在特定催化剂的存在下，SPC的分解会产生多种ROS，包括羟基自由基（•OH）、超氧阴离子（O₂^•?）和单线态氧（¹O₂），以及次级碳酸根自由基（CO₃^•?），这些可以有选择性地降解复杂的有机污染物（Duan等人，2018年；Ghanbari和Moradi，2017年；Li等人，2023年；Liang和Zhou，2022年；Yi等人，2022年）。然而，SDZ在这种多ROS系统中的降解机制复杂性，特别是不同自由基相互作用决定的位点特异性攻击途径，仍然理解不足。此外，必须严格评估所得转化产物（TPs）的环境风险概况，以确保这种方法的安全性和可持续性。

因此，本研究建立并验证了一种循环处理策略，将磷回收与催化微污染物降解相结合。我们展示了从猪粪渗滤液中高效回收高纯度钒酸铁，并将其作为催化剂用于激活SPC以氧化降解SDZ。通过密度泛函理论（DFT）计算预测反应位点，并通过实验LC-MS分析转化产物（TPs）来阐明降解机制。最后，通过定量结构-活性关系（QSAR）建模评估了生态影响。这项工作为关闭营养循环的同时减轻农业废物流中的抗生素污染提供了全面和可持续的蓝图。

章节片段

从猪粪渗滤液中形成钒酸铁

猪粪从广东省云浮市的一个农场收集。猪粪在50°C下烘干后研磨成粉末，并通过100目筛子过滤。处理后的猪粪总磷（TP）含量为51.5 mg g^?1。根据初步的渗滤实验，在最佳条件下（Zhang等人，2024年），可溶性正磷酸盐浓度为882 mg L^?1，该渗滤液被用作通过钒酸铁回收磷的原料

通过钒酸铁沉淀优化磷回收

为了确定高效的磷回收最佳参数，系统研究了Fe/P摩尔比、pH值和搅拌速度的影响。Fe/P摩尔比被确定为最关键的参数（图1A）。将摩尔比从1.0增加到2.0，回收率从大约65%–69%显著提高到97%以上，这突显了足够的Fe²⁺对于实现钒酸铁成核和生长所需的临界过饱和度的必要性（Peng等人，

结论

本研究成功建立了一种循环的“废物处理-再利用”范式，证明了从猪粪渗滤液中回收的钒酸铁可以作为有效的抗生素降解催化剂。在优化条件下，该过程实现了高效的磷回收，并得到了结晶良好的钒酸铁产品，这一点通过全面的表征得到了证实。随后，这种再生的钒酸铁激活了过碳酸钠，形成了一个强大的高级氧化系统，

CRediT作者贡献声明

张雷：撰写——初稿、方法学、研究、数据分析、概念化。冯大春：撰写——初稿。秦刚：资源提供。王瑞刚：监督。赵楠：撰写——初稿、数据分析、监督、项目管理、资金获取、概念化。梁家琳：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、项目管理、资金获取、概念化。郭美娜：撰写——初稿、资金获取。刘辉：监督。周凤平：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了广东省重点领域研发计划（编号2023B0202060001）、广东省科技发展计划（编号2023GDASZH-2023010104-1）、广东省基础与应用基础研究基金（编号2025A1515010756）、广东省科技研究计划（编号2023B1212060044）以及广东省环境污染控制与修复技术重点实验室的支持。