基于还田视角的人粪尿处理研究进展

李天昕，翁锐，徐新朋，程世昆，杨朕，李勇，李子富

（1.北京科技大学能源与环境工程学院，北京市工业典型污染物资源化处理重点实验室，北京 100083；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；3.南京师范大学化学与材料科学学院，江苏省物质循环与污染控制重点实验室，南京

210023）

人粪尿的不当处置会带来环境恶臭和水体污染的问题，同时增加环境中有害病原体的暴露风险[1]。据世界卫生组织报道，2020年全球仍有23亿人缺乏基本卫生服务，46%的人口粪尿未能得到安全管理[2]。在下水道等基础设施完善的国家和地区，人粪尿通常和其他污水混合排放进入污水处理系统，但这种模式处理成本高且导致资源浪费[3]。在大多数发展中国家，则是采用基于现场卫生设施的多样化且低成本的收集处理模式，但因缺乏有效的管理，人粪尿处理和利用率低。在集中排水管网没有覆盖的地区，仍存在粪便收集和处理量大、资源化利用水平低等问题。

过量施用化肥给环境带来巨大压力，如矿石资源枯竭、增加碳排放[4]，以及重金属富集、面源污染[5]等问题，严重影响了粮食安全和农业可持续发展。人粪尿是重要的有机肥源，富含N、P、K 等营养元素及有机质[6]。据估算，我国人粪尿资源若被完全利用，其相当于同期化肥消费量的24.53%（N、P、K 含量分别相当于同时期化肥消费量的28.09%、18.32% 和25.53%）[7]，具有很大的化肥替代潜力。随着农村“厕所革命”的推进，人粪尿资源化处理将成为关注的热点。鉴于此，本文综述了人粪尿还田前的主要处理技术，对技术的适用性、安全性及还田效应进行了述评分析，以期为人粪尿的资源化还田利用提供借鉴。

1 人粪尿的特征

1.1 人粪尿的产量及主要成分

影响人粪尿生成率和特征的因素主要有个人膳食结构、年龄结构、饮水量以及其他环境情况[8]。人粪包括分集粪便和粪污，成年人平均每日产生的粪便和粪污相当于1.65 g TN、0.36 g TP、0.51 g TK、30.01 g COD 有机污染物，同时含有大量致病微生物和少量重金属及抗生素。尿液主要由水、各种无机盐、有机化合物和其他代谢废物（药物和激素等微污染物）组成，成年人平均每日产生尿液相当于7.50 g TN、0.85 g TP、2.36 g TK、24.00 g COD有机污染物，分别约占人类排泄物的82%、70%、82%、44%[9]。

1.2 人粪尿的特征

受不同地区现场卫生设施类型，及其设计、建造和维护管理的影响，人粪的特征显著不同[10]。来自公共厕所等大型卫生设施的粪污通常比小型卫生设施的粪污、分集粪便的稳定性更差，COD 等有机物污染物含量更高[11-12]。人粪中营养物质多以复杂有机质的形式存在，无法被农作物直接吸收利用[13]。尿液中的N 元素主要以尿素的形式存在，P、K 元素分别以磷酸盐和钾离子的形式存在，均为利于农作物吸收利用的形态[9]。分集粪便和尿液中N、P、K 和有机质含量差异显著，如图1所示。

图1 人粪尿中典型营养物质和污染物的含量Figure 1 Contents of typical nutrients and contaminants in human feces and urine

2 人粪处理还田

为保证人粪还田安全性，需对其进行稳定化、无害化处理。目前，我国对人粪的处理还没有形成标准化、规范化和产业化的处理模式[14]。人粪的固液分离是促进其高效处理和还田的关键，影响分离效果的主要因素包括人粪的物理形态以及固体、蛋白质和脂肪等的含量，分集粪便中固定性固体和挥发性固体含量低，需要添加化学调节剂来提高分离效果，其脱水技术更具有挑战性[8]。固液分离技术的选择取决于土地面积、技术成本和分离效率。干燥床、絮凝沉淀等低成本技术对土地需求、环境影响较大，带式压滤、离心脱水技术则对运行能耗、操作条件和成本要求较高[15-16]，因此在使用高成本固液分离技术之前合理利用低成本技术进行处理，可以在降低成本情况下达到较好的固液分离效果。人粪经固液分离后可采取厌氧消化、好氧堆肥、制备生物炭基肥以及水热炭化等技术进行处理，以满足还田要求。表1 为影响人粪处理的主要参数。

表1 影响人粪处理的主要参数Table 1 The main parameters affecting the treatment of human feces

2.1 厌氧消化

分集粪便的C/N 较低且灰分含量较高，为提高厌氧消化过程的稳定性，通常利用粪污和其他有机废物（如畜禽粪便、污水污泥[22]、农业废弃物、餐厨垃圾[23]等）混合发酵。杜静等[21]研究发现，人粪与稻秸、尾菜、牛粪的混合比分别为3∶1、3∶1、1∶1 条件下，产气率比纯人粪厌氧发酵分别提升了78.50%、20.75%和18.84%。许智等[24]将人粪尿、餐厨垃圾、稻秸按不同比例混合进行研究，在中温条件下湿质量比为5∶1∶3.49 的累积产气量相比5∶1∶1.74 以及不加入稻秸的情况下分别提升7.7%、40.15%。原因是人粪中灰渣含量较高，增加稻秸提高了基质中挥发性固体的含量[25]。但人粪厌氧消化的温度达不到较好的消毒效果，污染指标和致病微生物达不到安全处置的要求[21，24，26]。因此，需采取预处理技术对致病微生物进行处理，Yin 等[27]通过热预处理（70 ℃）的中温厌氧消化系统实现粪污安全回收利用，当粪污总固体含量为1%、2%、4%、6%、8%、10%和12%时，病原体完全灭活时间分别为60、60、80、80、100、100 min 和100 min，这为提升人粪厌氧消化无害化处理效果提供了重要的参考。

目前，国内外厌氧消化产品还田效应的研究较少。在我国，随着西南地区“沼改厕”的推行，户用沼气系统是目前人粪还田普遍的设施，但是规模效益不明显。今后该技术的发展方向：一是推动厌氧消化处理装置产业化、规模化发展，形成一定的标准规范；二是针对不同条件选择无害化预处理技术，加强对致病微生物的去除，提高肥料产品的肥效和安全性[28]；三是利用资源回收技术对厌氧消化液中营养物质进行回收[29-30]。

2.2 好氧堆肥

人粪好氧堆肥的自加热过程可以对人粪中病原体进行消毒，是管理人粪的一种有前景的方法[31]，提高堆肥效率、减少病原体是其研究的热点。影响堆肥效率的主要因素包括微生物的活性、人粪的C/N（20～35）、含水率（50%～60%）、pH 值（6.0～7.5）、颗粒大小以及曝气条件等[12]。在保证原料不含对环境和人类健康有长期负面影响的污染物情况下，许多研究者将人粪与餐厨垃圾[32]、城市固体废物[33]、农业废弃物[34]等进行共堆肥处理。温度是衡量好氧堆肥效率以及无害化程度的关键指标。传统堆肥具有堆肥温度低（50～70 ℃）、周期长（25～45 d，甚至更长）的缺点，学者利用超高温菌进行好氧堆肥发现，超高温状态（80 ℃左右为常态）的堆肥周期仅为10 d，相比传统堆肥时间缩短60%以上，极大提高人粪堆肥品质和无害化程度[35]，但超高温好氧堆肥中微生物的需氧量和能耗较大，在实际应用中需安装通气设备并进行能源输入，增加了额外成本。时红蕾等[36]以原料配比为1∶4的人粪、锯末进行了小规模家庭好氧堆肥研究，结果表明该方式可以有效减少N损失，肥料产品具有适宜的腐熟度和生理毒性。因此，为促进农村和缺水地区人粪源地处理还田利用，减少收集和运输成本，新型堆肥厕所的建设以及小型专业化堆肥设备的研发是农村人粪堆肥还田的合适选择。

人粪干燥是堆肥前预处理步骤之一，分集粪便的C/N 通常比粪污低，且脱水技术具有挑战性，因此粪污适合作为好氧堆肥的原料。目前，应用堆肥技术处理人粪的主要限制包括：一是缺乏空间和资金对人粪进行干燥预处理，管理成本高，设备无法维护；二是高N 损失以及气味问题；三是缺乏相关有机添加物的严格标准[37]。在未来，人粪好氧堆肥还田应加强预处理工艺的优化、超高温菌堆肥的研发以及小型专业化堆肥设备的普及。

2.3 制备生物炭基肥

制备生物炭基肥可保证100%病原体消除，生物炭基肥施用于土壤中有助于提高土壤持水以及阳离子交换能力，可显著改善土壤肥力，促进农作物生长[17，38]。人粪制备生物炭基肥还田能实现人粪无害化、减量化和资源化目标，具有安全可靠、减少农业碳排放等优势。生物炭制备主要受工艺的热解温度、升温速率和热解时间的影响[39]。白晓凤等[18]结合单因素和正交优化试验研究制备生物炭的最优工艺条件，结果表明热解温度对产率的影响最显著，其次是升温速率、热解时间，在600 ℃、升温速率15 ℃·min-1、热解时间70 min 的条件下，生物炭的产率高达49%，同时具有较大的比表面积和孔体积。刘璇[40]的研究表明，热解温度500 ℃、热解时间60 min 条件下获取的生物炭具有较高的热稳定性及丰富的微孔结构，同时P、K 含量较高，具有良好的土壤应用潜力。许多研究通过提高热解温度来提高生物炭的稳定性，丰富生物炭基肥P、K等有效营养成分，但也造成N元素、酸性官能团流失[41]和低熔点灰分物质烧结、沉积[20]以及重金属含量升高[38]等问题。

目前，人粪作为原料制备生物炭基肥还田仍处于初步研究阶段，含水率、N 含量较低的分集粪便更适合作为原料，以减少生产过程能耗和N损失。虽然国际生物炭倡议组织（IBI）为生物炭的生产标准制定指导方针，但不同热解工艺制备的生物炭存在明显的土壤影响效果[38，41-42]，因此，今后需加强不同热解工艺对生物炭基肥还田效应影响的相关研究，为其制备提供更准确的指导。在未来的实际应用中，应加强人粪制备生物炭基肥的生产成本以及碳减排相关研究，提高其还田的环境经济效益。

2.4 水热炭化

水热炭化（Hydrothermal Carbonization，HTC）技术可在较低温度、无需干燥预处理或其他添加剂条件下分解有机废弃物，该技术可以消除病原体，显著降低气味和可溶性有毒重金属的含量，HTC 产品通过改善土壤持水能力、孔隙结构和提高养分含量促进作物生长[43-44]。影响HTC 过程的主要参数为反应温度、停留时间、底物pH 和加热速率，低加热速率有利于提高水炭的炭化程度[45]，提高酸浓度、反应温度和停留时间，有利于人粪转化成稳定的肥料产品[46]。Wüst 等[46]研究HTC 产品可以安全用作肥料时的最佳反应条件，结果表明pH=4、反应温度为220 ℃、停留时间为2 h 时水炭产率最高，同时N、P 具有较高的保留率。McGaughy 等[43]通过研究HTC 回收粪污中营养物质发现，水炭和炭液中P、N 含量分别在100～130 g·kg-1、1.8～2.1 g·L-1之间，HTC 反应条件影响营养物质的形态及其在水炭和炭液中的组成，但对总含量没有显著影响。人粪HTC 产品中N∶P∶K 比例与商品肥料相似[47]，但该技术可能对结构稳定的有机物分解不彻底，产品中的毒性物质易造成还田风险。

人粪作为HTC 原料生产土壤改良剂的研究较少，该技术处理含水率较高的粪污具有独特的优势。目前，HTC生产水炭仅限于对纤维素、半纤维素、木质素等单一化学物质降解机理的研究[45]，因此需要通过进一步研究来阐明复杂有机质转化为水炭的机理。HTC研究主要集中在水炭方面，炭液生产和实际应用鲜有研究，未来应系统地研究人粪特征及其主要成分的含量对HTC过程的影响，根据HTC产品用途（土壤改良剂或液态肥料）进一步优化工艺流程和技术参数。

2.5 技术总结及对比

表2 总结了人粪还田技术的主要特点、适合处理的人粪类型、潜在的环境和健康风险以及技术成熟度。根据技术的可操作性和肥料产品的安全性可以看出，虽然厌氧消化、好氧堆肥技术的理论研究与实践应用已广泛开展，但在没有标准规范下不能保证还田的安全性。人粪制备生物炭基肥还田具有固碳作用且稳定性和安全性高，水热炭化技术可在不对人粪进行预处理的情况下应用，但两种技术的反应过程和还田效应仍需进一步探讨。目前，许多研究者开展了乳酸发酵-堆肥技术[54]、堆肥-蚯蚓堆肥一体化技术[55]、生物炭-堆肥技术[51，56]等多种协同处理技术研究，对于提高人粪处理效率及提升肥料产品的品质具有重要意义。

表2 人粪还田前处理技术对比Table 2 Comparison of treatment technologies before returning human feces to the field

3 分集尿液处理还田

分集尿液还田过程中存在氨挥发以及产生高浓度盐、病原体和微污染物等风险，同时大量尿液收集和运输也是棘手的问题[57-58]。根据国内外学者的研究，尿液还田前的处理方法主要有两类：一是减少尿液中的病原体和微污染物，主要技术包括尿液储存、电渗析、纳滤和高级氧化技术；二是浓缩和提取尿液中的营养物质，主要技术包括渗透技术、汽提法、鸟粪石沉淀法。

3.1 尿液储存

尿液密封储存可以有效防止新鲜尿液中尿素的水解，降低N 素流失，减少致病微生物。尿液还田可以改善土壤营养状况，增加萝卜[59]、玉米[60]、小白菜以及空心菜[61]等农作物的产量，促进化肥减量。根据尿液的还田指南，尿液经密封储存处理后以1∶3～1∶5的稀释比进行稀释，可减少尿液中盐组分对土壤以及农作物的毒害风险[62]。

影响尿液储存效果的主要参数为温度、pH 值和储存时间。低温（4 ℃）储存通过降低酶和微生物的活性减少尿液水解[63]。尿液储存前，在每升未稀释尿液中加入0.61 mmol 硫酸或1.00 mmol 醋酸进行酸化处理（pH 约为4.0）[64]，或加入10 g Ca（OH）2进行碱化处理（pH 为11.0～13.0）[65]，均可有效抑制尿素的分解以及病原体的生存。Victor 等[66]报道，尿液在20 ℃下储存6 个月后可以作为肥料施用，不会造成农作物食用部分病理性污染以及对土壤环境的负面影响。但尿液长期储存不能实现激素、残留药物等难降解微污染物的去除，作为食用农作物的生产肥料可能造成毒理学风险，易对敏感性人群（如婴儿）造成健康影响[67]。由于缺乏对尿液还田的风险和收益认知，全球仅59%人口接受尿液作为农作物肥料，不同国家接受程度差异仍很大[68]，因此，需要对尿液进行消毒处理以及规范化利用。

3.2 电渗析技术

电渗析技术（Electrodialysis，ED）是利用离子交换膜在直流电场的作用下，将尿液中带电离子组分分离的电化学膜技术。表观分子量为100～200 Da 的离子交换膜可以有效拦截药物和激素等大分子微污染物，同时选择性地将营养物质提取到浓缩液中[69]。Pronk 等[70]首次利用ED 法去除尿液中的微污染物，研究表明，该方法对尿液中常见的5 种微污染物（普萘洛尔、炔雌醇、布洛芬、双氯芬酸和卡马西平）最初去除率很高，然而随着操作时间（90 d）的延长会出现5%～10%渗透。Arola等[71]证明ED法对微污染物截留率可达到92%，将NH+4-N、PO3-4-P 和K+等营养物质浓缩高达5 倍。在处理尿液还田方面，瑞士水研究所（EAWAG）将ED 法与臭氧氧化技术结合提高去除微污染物的稳定性，其生产的“Urevit”肥料产品的农艺价值高于其他被测有机肥料，且在适当的施用技术条件下，预期的施肥效率与硝酸铵化肥相当[72]。目前利用ED 法分离营养素和微污染物的相关报道较少，因此在生产浓缩养分用作肥料之前，必须评估其还田安全性，同时该方法需要消耗大量电能，处理尿液的经济性需进一步提高。

3.3 纳滤技术

纳滤技术（Nanofiltration，NF）是低压力（0.2～2 MPa）驱动运行的一种膜分离技术，可以实现分子量为200～500 Da 的物质截留，该技术已被应用于截留杀虫剂、药物化合物、干扰性激素等与环境风险有关的化合物[73]。NF 对微污染物的截留效果取决于电荷和极性，带负电的NF膜对带负电荷的离子、微污染物具有较高的截留率，且效果随着pH 值的增加而提升[74-75]。Pronk 等[74]从制备尿基肥料的角度评估了不同NF膜去除微污染物和渗透养分的有效性，在pH=5条件下，截留分子量为300 Da 的NF270 纳滤膜对未水解尿液中常见的5 种微污染物具有92%以上的截留率，大部分尿素和氨具有良好的渗透效果，但磷酸盐和硫酸盐几乎完全被截留。其他学者也证明NF可有效实现单价离子与多价离子、有机物的分离[76]。因此，NF应用于尿基肥料生产时可利用不同特性和孔径的NF膜选择性截留微污染物以及渗透营养素，或利用多组膜对尿液中不同价态的N、P进行分离。但该技术运行成本高、膜易受污染，且高度浓缩的微污染物的最终处置也是需要重视的问题。

3.4 高级氧化技术

高级氧化技术（Advanced Oxidation Process，AOPs）是利用强氧化剂将物质进行氧化，通过改变物质的化学结构消除其污染性，或将其污染性降低。很多研究基于臭氧、Fenton 法、电化学氧化以及声化学氧化等AOPs对尿液中药物残留物、抗生素、细胞抑制剂和激素等微污染物进行降解[77]。其中臭氧氧化法和UVC 辐射法应用较成熟，降解效果取决于氧化剂量、尿液基质和操作方法等因素[78]。单一的AOPs 处理可能存在微污染物没有完全矿化、降解副产物具有生物活性以及形成有毒中间体等问题[79-80]。因此学者通过联合Fe/H2O2的方式提高反应动力学[81]，或利用超声波氧化处理，减少尿液基质对微污染物去除的影响[78-79]。此外，结合尿液特征的联合工艺处理可以减少N 素的损失，同时显著减少能耗。Tettenborn等[82]的研究表明，尿液中高浓度的氨氮与氧化剂或者羟基自由基进行反应，对尿液中微污染物的去除造成抑制作用，采用蒸汽汽提法减少氨氮后，臭氧投加剂量为2.5 g·L-1或UVC 辐射功率强度为2.5 kWh·L-1时可以完全去除尿液中的药物残留物。AOPs作为一种重要的深度处理手段，为尿基肥料的生产提供安全保障，未来的研究应聚集于可降低成本、减少尿液中营养物质损失、提高微污染物去除率的联合处理技术。

3.5 渗透技术

渗透技术包括反渗透（Reverse Osmosis，RO）和正渗透（Forward Osmosis，FO）。基于压力驱动的RO 工艺对离子态盐类和微污染物具有较高的截留率，可以通过控制尿液pH 值改变氨氮的存在形式，选择性截留或者渗透氨氮[83]。FO 是利用膜两侧溶液的渗透压差作为驱动力的低压膜工艺，可以选择性地从尿液中分离出低分子量中性化合物[84-85]。在国内，刘乾亮等[86]首次研究FO 处理尿液，FO 膜能有效截留尿液中的污染物，对TN 和氨氮的截留率均在98.5%以上，清洗膜后膜通量可以恢复90%以上。目前，肥料驱动正向渗透的概念已被提出，利用高渗透压和扩散性的镁盐溶液作为吸取溶液，可以在不造成膜损伤情况下使尿液体积减少60%，以生产鸟粪石的形式回收约50%N和40%P[87]。为进一步提高尿液营养物质的浓缩以及连续性运行，学者将膜蒸馏（Membrane distillation,MD）工艺与FO 结合。当尿液pH 6～7、2.5 mol·L-1NaCl 作为吸取溶液时，FO-MD 工艺可以截留尿液中的总有机碳、TN、磷酸盐以及病原微生物和有机污染物[88]。FO 具有低结垢、低能耗以及高稳定性的优点，是目前用于浓缩尿液中营养物质的不错选择，但其推广应用中仍存在诸多挑战，如浓缩尿液的消毒利用[89]、渗透性FO 膜的选择以及高效且易于再生吸取溶质的技术[84]等。

3.6 汽提法

汽提法是利用尿液中氨在碱性条件下易挥发的特点，通过传质作用实现氨的气液相脱离，氨通过硫酸等酸性溶液吸收，形成富含铵的液态肥料。该技术包括空气汽提和蒸汽汽提，与空气汽提法相比，基于热分离过程的蒸汽汽提法温度高，保证了高效率的氨传质，具有更好的可操作性和经济性[90]。Liu 等[91]在空气流速14 L·min-1·L-1、温度323 K和运行时间2.2 h的操作条件下，从每立方米尿液（pH=9.3）中去除80%氨的最低运行成本为21.65 美元，提高空气流速和温度有利于氨的脱离和降低单位运行成本，改变尿液稀释比对脱氮效率没有显著的影响，而pH 值大于10时，额外的化学品投入导致单位运行成本增加。Hazard 等[92]研究了蒸汽汽提工艺回收氨的效果以及能量需求，结果表明，尿液与蒸汽相对流速比在6.5～7.5 之间时氨回收率超过90%，且比Haber-Bosch 工艺生产氮肥所需的能量更具有优势。在实际工程中，蒸汽汽提工艺不适合处理小规模尿液，需进一步降低工艺设备的能耗，以及利用太阳能或其他低品位热源降低温度控制成本[82]。尿液中的铵含量比磷酸盐高，通过改变工艺参数控制反应器底物中铵的最终浓度，最后结合鸟粪石沉淀技术生产磷酸铵镁，可以最大限度地回收尿液中的N、P，该技术具有潜在的工业价值。

3.7 鸟粪石沉淀技术

鸟粪石沉淀技术是通过添加镁盐等沉淀剂从尿液中提取钾-鸟粪石或铵-鸟粪石晶体，作为农业和园艺用途的缓释肥料。该技术具有营养物质损失少，运输方便和安全可靠等优点，可将超过98%的微污染物保留在原尿液中，极大提高肥料产品的安全性[93]。鸟粪石沉淀效率主要取决于镁盐的投加量和溶解度[94]。Zamora 等[95]采用流化床工艺规模化生产铵-鸟粪石，在pH=8.6、Mg∶P（摩尔比）=1.2 条件下，N和P 的回收率分别为16%和94%，鸟粪石产品具有较高纯度和良好的颗粒结构。Le 等[96]开发利用流化床均相结晶工艺回收尿液中磷酸盐和钾，在操作参数为pH=10、Mg∶K（摩尔比）=1.25、尿液上流速度30 m·h-1时可以回收98.4%P 和70.5%K，生成的钾-鸟粪石产品纯度高、含水率低，具有很好的还田应用前景。鸟粪石带来的P 吸收量和作物产量不低于商业肥料，但其在碱性土壤中溶解度低、营养物质释放缓慢，会造成土壤结构变化以及农作物产量低等问题[97-98]。因此还田前需加强当地土壤酸碱度对其释放速率的研究，并结合农作物的生长速率特点进行合理利用。另外，该方法需要额外的可溶性镁盐诱导沉淀反应，建立反应器成本高，今后需进一步开发成本低、沉淀效率高且环境效益高的替代沉淀剂[99]。

3.8 技术总结和对比

尿液主要处理技术及特点见表3，单一的技术不能安全有效地将尿液中N、P、K 回收，因此多种技术组合处理是未来研究的重点。FO-MD 膜组合技术能耗低、膜污染小，可以进一步提高微污染物的截留率以及运行连续性，在尿液中营养物质的浓缩方面具有很好的应用前景。汽提法-鸟粪石沉淀技术组合可以同时生产硫酸氨液态肥料和鸟粪石，实现尿液中多种营养物质回收。随着生物炭吸附技术的发展，未来可以探究人粪制备的生物炭作为各种尿液营养物质回收技术的后续处理，评估其对N、P、K 吸附的综合性能，加强回收尿液中营养物质作为增值肥料的相关研究。

表3 尿液处理技术特点Table 3 Features of urine treatment technology

4 人粪尿还田安全性研究

人粪尿还田的安全性是决定其还田利用的一个重要因素，人粪尿中含有多种致病微生物以及少量微污染物、重金属和抗生素污染物，在农业中使用未经充分处理的人粪尿会造成健康风险。由于缺乏相关还田技术规范和标准，人粪尿-食物传播也会成为传染病的重要传播途径，还田时应充分评估其环境安全性。

4.1 病原体微生物

健康人群的尿液中致病微生物含量极少，但由于与粪便存在交叉感染，尿液中发现了血吸虫、伤寒沙门氏菌、问号钩端螺旋体和蠕虫卵等病原体[102]。高温处理是去除人粪尿中病原体的有效途径。Sabar等[103]研究证明了交叉组装噬菌体可以作为粪便污染和水环境中粪便致病微生物的有效监测指标，因此，尿液还田前可以通过测定该指标含量来判断尿液受粪便污染的程度，进而依据污染程度选择合适的处理技术。

4.2 微污染物

用于治疗人类疾病的激素以及药物用量增加，会导致人体代谢过程中形成内分泌干扰物的概率增加，从而增加尿液中微污染物的含量，尿液未经处理可能造成还田风险，引起人类脑损伤、糖尿病和癌症等多种疾病[104]。目前，针对尿液中微污染物的处理标准和还田限值要求的相关研究较少，未来需加强微污染物在土壤中的积累与降解、对土壤理化性质影响以及潜在的生态毒理效应等研究。

4.3 重金属和抗生素

蔡佳盛等[105]评价了我国农村节水型、水冲型公厕粪便处理还田时重金属和抗生素的潜在生态风险，粪污发酵产品中Cd、Cr、Cu、Zn 重金属含量均大幅度超出《肥料中有毒有害物质的限量要求》（GB 38400—2019）和《有机肥料》（NY/T 525—2021）规定的指标要求，水冲型厕所的粪污发酵产品还田的重金属和抗生素风险较高。由于我国缺少人粪尿还田相关标准，表4 对比了《畜禽粪便还田技术规范》（GB/T 25246—2010）等3 项标准，结果表明分集粪便中的主要重金属含量均符合限值要求。图2 展示了农业土壤中重金属主要来源，包括大气沉降、污水污泥、化肥和牲畜粪便等，可以看出加强人粪尿与农业系统的结合，可以有效减少污水灌溉和化肥施用带来的重金属污染问题，降低对环境和人类健康造成的风险。

表4 分集粪便中常见重金属含量（mg·kg-1）Table 4 Content of common heavy metals in feces（mg·kg-1）

图2 农业土壤中重金属循环示意图Figure 2 Schematic diagram of heavy metal cycle in agriculture soil

5 结论与展望

本文在还田视角下重点分析人粪尿还田前主要处理技术的适用性、安全性以及还田后的效应。其中人粪还田前处理技术主要有厌氧消化、好氧堆肥、制备生物炭基肥以及水热炭化等。目前，由于各种技术存在局限性且缺乏相关标准的指导，多种技术协同处理研究已经开展，实现了产品的农艺价值和安全性的提高。尿液是一种富含N、P、K 营养物质的液态肥料。传统的尿液储存不能去除难降解微污染物，生产尿基肥料是其最佳处理途径，但基于膜处理的电渗析技术、纳滤技术以及渗透技术存在原尿液微污染物最终处置问题，汽提法、鸟粪石沉淀法能耗、运营成本高，在实际工程应用中经济效益不明显。面对“碳减排”和粮食安全生产的机遇与挑战，建议人粪尿还田的研究和工作重点应围绕三个方向开展：

（1）构建人粪尿管理-农业生产-消费者的营养物质循环模式。下水道系统的普及限制了人粪尿的还田利用，在循环经济的背景下，我国对人粪尿资源化的重视程度仍不够，考虑到土壤质量下降、肥料生产成本提高以及粮食安全问题，未来应探究以促进农业生产为目标的人粪尿管理模式，加强研究人粪尿高效收集、运输以及空间优化利用，提高人粪尿与农业系统的结合，促进营养物质闭循环。

（2）加快相关还田技术标准的制定。人粪尿还田存在健康风险，我国目前尚缺乏关于人粪还田的相关技术规范和标准，限制了主要处理技术的应用和推广。因此，未来应探究我国不同地区人粪尿特征，为加快制定集中式厌氧消化、好氧堆肥等技术规范及标准提供依据，推动我国人粪还田标准化、规范化和产业化运营。

（3）加强分集尿液微污染物的深度处理以及处理技术的组合。诸多微污染物通过尿液排出，尿液还田或营养物质回收前需进行污染评估和深度处理。高级氧化技术是有效的深度处理技术，但直接处理尿液会造成氨氮的损失，未来应探究高级氧化技术作为其他尿液处理技术的后续处理方法的可行性，同时还需加强尿液中微量污染物的定量分析，为技术的选择和控制范围的确定提供理论支持。在实际工程应用中，应考虑不同技术的功能和特点，依据尿液的N、P、K含量特征以及去除污染物的类型调控组合技术种类和反应条件，以最大化地利用尿液资源的价值。