废水可能是环保肥料的秘密

氮肥在全球农作物生产中发挥着重要作用。大约一半的人口靠用肥料种植的食物维持生命。尽管地球大气中约 78% 的氮是由氮组成的，但它并不是以植物可以利用的反应形式存在的。直到 1908 年，化学家才开发出一种技术，将大气中的氮转化为植物可以利用的合成氮。

这种技术被称为哈伯-博世法，即从空气中捕获氮并与氢发生反应生成氨，氨是一种植物可以从土壤中吸收的有效肥料。这一工艺是当今生产氨的标准工业程序，但它约占全球二氧化碳排放量的 1.4%。

阿贡国家实验室的博士后研究员 Saurajyoti Kar 表示：“氨中的氢来自天然气等化石燃料，而氮则来自空气。使用化石燃料作为转化过程的原材料和能源会增加使用传统生产工艺生产富氮肥料的能源和环境成本。”

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预计到 2026 年，全球氨市场将达到 824 亿美元。鉴于哈伯-博世工艺的能源密集程度，生产商必须采取更环保的方法来满足日益增长的肥料需求。在最近的一项《整体环境科学》研究中，研究人员评估了从废水中去除氨并将其转化为肥料的过程，这可能是一种更可持续的替代方案。

参与这项研究的卡尔表示，城市污水通常含有高浓度的氮和磷。他补充说，在处理设施中，污水经过处理以降低浓度，并避免在排放到地表水体时出现富营养化等问题，富营养化可能导致藻类过度生长。

通过从废水中捕获氮，生产商可以避免生产耗能的氨。此外，它还可以重新利用已经固定在大气中的氮。“在废水处理设施中捕获氮的方法之一是空气吹脱，”Kar 说。“在一定的工艺温度下，废水流中的过量氨会从液态转变为气态，然后进一步与酸反应形成稳定的富氮肥料。”

作者进行了生命周期分析，发现从废水处理厂中空气剥离氨以制造富氮肥料产生的温室气体排放量比哈伯-博施工艺少六倍。空气剥离技术每千克硫酸铵产生 0.2 至 0.5 千克二氧化碳当量，这明显低于哈伯-博施工艺每千克硫酸铵 2.5 千克二氧化碳当量。在空气剥离过程中使用可再生能源可能会进一步减少排放。

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“使用空气剥离氮肥可以减少农业温室气体排放负担，并有助于实现农业脱碳目标，”卡尔说。2020 年，农业部门（包括施肥）占该国温室气体排放量的 11%。

除了环境效益外，废水处理设施还可能具有经济效益。卡尔说，如果他们建立空气吹脱系统的基础设施，那么出售回收氨水所产生的收入将超过资本成本和运营成本。

总体而言，这项研究表明，存在一种比能源密集型氮生产工艺更可持续的替代方案。尽管空气剥离法生产的肥料规模可能比标准的哈伯-博施法小，但回收和再利用任何数量的氮仍然有助于最大限度地减少温室气体排放，并防止污染物进入水源。