减少、再利用、回收：可持续农业之路

据预测，2010年至2050年间，全球粮食总需求将增长35-56%，同时全球人口将稳步增长。近年来，粮食生产和分配成本的上涨受到COVID-19疫情、俄乌局势、气候变化和地区冲突的影响。国际货币基金组织强调，政策变化对于减少粮食不安全和改善化肥供应至关重要，特别是在较贫穷的国家。

合成肥料和有机肥料对于维持农业生产仍然至关重要。合成肥料使用从磷矿开采的磷、从钾矿开采的钾和从大气中固定的氮，但这些资源的提取过程是能源密集型的，因此通过采矿活动和在生产中使用化石燃料能源对环境产生了长期的不利影响。有机肥料包括各种动物的粪便、苜蓿粉、血粉、鱼粉和木灰，以及水或污水中的废物。形成有机肥料的粪便和其他废物体量庞大，运输到田间施用或处置的成本很高，但如果可以在现场或生产地附近处理，从这些废物中获得营养物质，则可以省去昂贵的运输费用。

可持续的农业系统涉及有效地利用水、能源和营养资源；减少对环境的影响，保持经济实力，并最大限度地减少对有限的耗竭资源的依赖，实现可持续发展。图1是如何从废水中回收、再利用和循环养分以用于肥料的示例。

肥料常量营养素就是一种有限的耗竭资源。例如，磷酸盐储量可能会在未来50至100年内耗尽。此外，废弃农产品也可能对环境有害，导致诸如药物、病原体或金属废物污染作物以及地表水富营养化等问题。然而，这些废物营养量高，因而具有巨大的潜力。

图1：可持续农业中的养分循环

循环生物经济一词是指通过管理生物资源来改造和管理我们的土地、食品、健康和工业系统，以实现与自然和谐相处的可持续福祉的方法。通过利用可持续农业的创新，在利用废物中的营养成分以促进粮食生产和最大限度地减少对环境的影响方面具有巨大潜力。表1总结了常用的生物、化学和物理养分回收方法。近年来引起人们兴趣的潜在可持续方法包括：

智能纳米肥料： 氮纳米肥料有望通过提高向植物输送氮的效率和减少氮对环境的影响来提高氮利用率。可以通过多种方式实现，如将肥料体积减少到纳米颗粒、用纳米材料补充肥料、通过封装或储存在纳米孔中形成纳米复合结构以控制养分释放。

生物精炼厂： 与利用作物作为原料的第一代生物精炼厂相比，第二代生物精炼厂使用残余和废物流。通过使用各种转化平台，经过酶和微生物，生物质被转化为液体燃料和其他化合物氮。

生物炭(木炭)： 虽然使用生物炭在固碳方面是一个相对较新的概念，但这种类似木炭的物质的历史可以追溯到2000年前的亚马逊盆地，当时人们认为向土壤中添加烧焦的生物质可以改善土壤质量和肥力。有机物(如枯萎植物或落叶)的厌氧热解是一种清洁且节能的方法，可以产生稳定形式的碳氮。

绿色氨： 这是使用可再生能源，氮气和水使氨100%无碳化再生的过程。近年来，包括空气产品公司、西门子、OCP、蒂森克虏伯和Grupo Fertiberia在内的大公司已经将使用电解水供应H2的绿色氨合成项目商业化氮。

鸟粪石： 鸟粪石，也称为胍石或磷酸镁铵 (MAP)，是一种晶体，其中 Mg ²⁺ 、(NH ₄ )+和 PO ₄ ³ - 以1:1:1的摩尔比或化学计量比例结合。它可以单独使用，也可以与其他废物衍生产品、微生物接种剂或传统无机肥料一起用于复杂的肥料配方中。鸟粪石高营养成分和缓释特性使其成为有吸引力的商业肥料生产候选物氮。

表1：从废物中回收常用养分的方法概览

CAS内容合集(CAS Content Collection ^TM )是专家标引的科学数据资源合集。我们使用CAS内容合集中收录的数据来分析养分回收方法和推动创新的技术概念词，为维护循环生物经济做出贡献。在CAS内容合集中，我们进行了全面的检索，检索结果表明在2001-2021年期间，与肥料有关的专利共121,213项、文献共125，228篇(图2)。期刊文献重点研究了肥料对作物生长、生物响应和土壤肥力的影响，其中一些主题侧重于肥料和污染物中养分的回收方法，这些污染物会导致接收水的富氧化，或农业废物和含有污染物的土壤。专利文献则侧重于与肥料养分回收、肥料配方和生物废物(如粪便、灰烬和发酵)相关的有机物质和生产工艺。

图2：对肥料、可持续性、循环和回收主题进行的广泛检索获得的期刊出版物和专利公开数量（2001-2021）

在CAS内容合集中进行检索，以发现利用氮、磷和钾作为营养来源的可持续农业发展趋势及其回收方法。

在期刊和专利中，“有机/无机小分子”、“元素”和“盐/化合物”等物质类别占主导地位，“混合物”在专利中也很普遍。

生物方法是最突出的养分回收方法，占期刊/专利出版物的66%，其次是物理方法(22%)和化学方法(12%)。

人们感兴趣的关键主题集中在废水处理污泥、生物炭和灰烬中的养分回收。生物炭生产、鸟粪石沉淀和绿氨合成有显著趋势。

在专利和期刊披露的主题中， 木炭/生物炭 呈现明显增长趋势，尽管2019年略有下降，但期刊出版物仍显示出持续增长。特别是自2013年以来，围绕可持续农业的专利数量有所增加，尽管同比数字有些变化(图3)。对概念词进行分析，揭示了概念词“废水处理污泥”(wastewater treatment sludge)和“粪便”(manure)与“厌氧生物消化”(anaerobic biological digestion anaerobic biological digestion)之间的关系。

图3：对肥料、可持续性、回收以及与废物和废水相关的回收主题使用CAS词库中的下位概念词进行检索，获得的专利数量和期刊出版物数量（2000-2021年）

在研究期间，关于 鸟粪石 的出版物大幅增加。鸟粪石以[(NH ₄ )Mg(PO ₄ ).6H ₂ O]形式占主导地位;关于鸟粪石钾[MgK(PO ₄ ).6H ₂ O] (图4)的报道很少，尽管一些研究表明它可以回收并有可能用作磷酸镁肥料。与鸟粪石生产有关的重要概念词包括“化学沉淀”、“结晶”、“废水处理沉降”和“吸附废水处理”。

图4：对可持续肥料进行检索（2001-2021）， 获得的主要鸟粪石形式的出版物数量（包括期刊和专利）

绿色氨 主要发表在期刊中，2020年专利文献占总出版量的20%。从2017年到2021年，具有催化绿氨合成作用的物质急剧增长;数量从2017年的不到100种不同物质增加到2021年的近500种不同物质。引起人们兴趣的物质是那些包含用于绿色氨合成的新催化剂的物质，例如无机材料、有机/无机小分子、元素和配位化合物(图5)。此外，以光催化或电催化氮还原为特色的期刊出版物比例从2001年的1%增长到2021年的25%，突显了该方法的快速发展。

图5：绿色氨合成研究中按年份（2001-2021）划分的出版物趋势和用于催化剂的不同物质

随着全球人口的迅速增长，农业食品行业面临的压力越来越大。化肥生产和农业废弃物的积累都造成了不可逆转的环境破坏。可持续性和循环生物经济的概念已成为负责任农耕的核心原则。可持续农业的原则激发了对废物处理、养分回收和能源效率综合系统开发的研究。

肥料生产的替代“绿色”工艺，例如绿色氨合成和从废物和微生物成分中回收肥料养分，有可能改变我们的食品生产方式，并可以将废物转化为有价值的副产品。

养分回收过程正在商业化，以帮助提高效率、降低成本并最大限度地减少对环境的影响。一些值得注意的可持续农业技术包括：

Pearl ^® and WASSTRIP ^® (Waste Activated Sludge Stripping to Remove Internal Phosphorus) technologies (Ostara Nutrient Recovery Technologies Inc., Canada)是用于生产Crystal Green ^® (是一种含有磷，氮和镁的可持续回收缓释肥料)的除磷关键工艺。Root-Activated ^TM 释放优化吸收并保护当地水资源，同时提高产量。

AirPrex ^® (CNP CYCLES GmbH, Germany)是一种获得专利的污泥优化工艺，可改善生物磷酸盐消除。在AirPrex ^® 反应器中，污泥经过处理最终生成MAP或鸟粪石沉淀，可用作肥料。

AshDec ^® Thermochemical P-Recovery system  (Metso Outotec, Finland)通过从污水污泥灰中回收磷，提高植物利用率并降低重金属含量。磷产品可溶于柠檬酸盐，因此对环境友好。此外，磷的释放是可控的——它只发生在作物根系分泌物存在的情况下。

The RecoPhos Project  (The RecoPhos Consortium)是由学术界、工业界和企业承担的多学科项目。目标是使用创新的反应器从污水、污泥和灰烬中回收磷(如白磷或磷酸)。这项工作将为实施全面运行的台式反应堆和中试规模工厂的设计奠定基础。还将评估RecoPhos工艺的经济，环境和社会影响。

The Aqua2 ^TM N Process (Easymining Services, Sweden)从污泥液中回收氮气。氮被吸附并以晶体被收集，然后以易用于肥料生产的形式回收。吸收剂可以简单地再次使用。

诸如此类的举措证明，科学、技术和工业之间的跨部门合作不仅克服粮食生产挑战，而且还可以简化废物回收。可持续农业为我们的社会提供了一条面向未来的可靠之路。

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