植物生长过程中隐藏的温室气体排放

Lisa Babcock-Jackson

Information Scientist at CAS

Willem Schipper

Owner, Willem Schipper Consulting

虽然奶牛要为食物带来的温室气体排放问题承担大部分责任，但植物性食物也存在未被注意到的温室气体足迹。 尽管畜牧业是食品系统产生的137亿吨二氧化碳当量的主要贡献者，但化肥生产等“隐藏的方面”也同样有所输出。

化肥、植物补剂(氮、磷、钾等)和土壤管理实践就是隐藏的贡献者。虽然氮、磷和钾对农业至关重要，但其资源、生产和供应链会导致温室气体排放。

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氨会带来大量的温室气体排放

在世界人口继续增长的同时，联合国粮农组织(FAO)在2019年的一份报告中预测，化肥用氮的需求将持续增加。 对于化肥，传统的氨生产方法(如哈伯-博施法)提高了氨肥的可用性，但也产生了大量的二氧化碳。然而，满足这一需求的许多方法目前都集中在传统的氨生产方法上，这将继续增加温室气体的产量。

可实现更环保的氨生产

目前正在进行大量研究，以开发更环保的氨生产。可通过用可持续能源电化学方法产生原料氢来实现更环保地生产氨。然而，化学也提供了更先进的概念，例如，通过光化学或电化学还原氮。图1描述了氮的直接电化学还原过程。Hochman等人分析发现，直接电催化法比其替代方法——水电解和哈伯-博施法成本更低。

图1:可再生能源驱动的水和氮直接催化合成氨

(来源: Gal Hochman, Al. S, et al, Potential Economic Feasibility of Direct Electrochemical Nitrogen Reduction as a Route to Ammonia ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2020 8 (24), 8938-8948.)

鼓励绿色氨生产

从经济角度来看，欧盟委员会正计划对进口商品的二氧化碳排放征收关税。该关税计划是欧盟为防止进口商比受严格气候变化政策约束的欧盟生产商拥有优势而采取的解决方案。这些法令将从2023年1月至2026年底在三年内逐步实施。

天然气价格不稳定和当前的地缘政治气候是欧洲寻找天然气制氨替代方案的强大创新驱动力。再加上更经济的大规模电解制氨，这将使绿色氨很快具有竞争力。

对自然资源磷的依赖

过去几年中，出现了有关“磷危机”的报道。农民的负担能力、污染、化肥的过度使用以及对磷自然资源的地缘政治控制都被认为是问题的一部分。还有一个问题是可供开采的磷矿的数量及其有多“好”?

这将成为粮食安全和水安全问题，且只会随着人口增长而加剧。管理磷酸盐水污染的成本很高，同样，管理磷酸盐水污染产生的藻华的毒性影响也很高。

磷回收:循环经济的机遇

废水是亚磷的主要来源：它需要被清除，从而也为亚磷的回收提供了途径。从废水、生物固体和污水灰中回收磷，首先可采用化学沉淀法和利用微生物加强生物除磷等方法。

自2001年以来，有关化肥养分回收的废水处理方法的科学文献出版量总体上有所增加(图1)。研究生物处理工艺的文献最多，其次是物理方法和化学方法。养分回收是磷循环整个复杂过程中的一个方面。

图2:有关化肥养分回收的废水处理方法的科学文献出版趋势

鸟粪石沉淀法是一种日益流行的废水除磷方法。虽然提高了污水处理厂的除磷能力，但其磷回收潜力较低。

利用污水污泥或污泥灰分制造化肥的各种方法都处于开发的高级阶段。这些工艺通常从含磷酸盐废物开始，经过显著的化学转化过程，以获得可进入价值链的材料。例如，磷回收技术可能需要管理大量的能源需求(包括密集的干燥或浓缩步骤中的能源需求)。

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