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“尿循环”的福报

发布日期:2020-12-21 来源:
  密歇根大学“环境与可持续”(environment and sustainability)研究组领导的一项研究表明,在城市规模应用场景下,将尿液从市政污水处理厂转移出去,并从中回收富含营养物质的液体以制成农作物肥料,将会带来多重环境效益。该研究于12月15日发表在期刊《Environmental Science &Technology》上。
  
  世界大约一半的食品供应都依赖于不可再生资源生产的合成肥料:磷肥的生产依赖于磷矿石的开采和加工生产;而氮肥的生产是一个能源密集过程,其中用到的天然气,占世界能源使用量1.2%。同时,水和污水处理系统消耗美国3-4%的电力,而营养物质去除是最耗能的过程之一。众所周知,尽管尿液只占据市政污水的总量的1%,但是尿液中含有氮,磷和钾等基本营养元素,其中磷元素占市政污水总量50%,氮元素接近80%。如果能够从污水厂将尿液分离出来进行回收利用,不仅可以降低污水厂的能耗,还可以增加可再生肥料的生产。但是,尿液分流转移将需要收集系统,回收利用产生的肥料需要运输,这些都会对环境产生影响。
  为了与常规的污水处理和利用不可再生资源进行肥料生产的系统作对比,研究人员对大型集中式尿液分流和肥料处理系统(目前尚不存在)进行了建模,通过生命周期评估(LCA)对两种系统的多种环境影响进行评估。其中尿液制备肥料通过两种方法实现:(1)尿液浓缩和杀菌和(2)鸟粪石沉淀和离子交换。尽管目前还没有城市规模的尿液转移和回收系统,但是有一些小型的示范项目正在进行中,其中包括密歇根大学的一个示范项目和Rich Earth Institute领导的项目。研究人员主要利用这两个项目的数据来模拟城市规模的尿液转移和循环利用对环境产生的影响。
  污水处理也是该研究的重点,研究人员分别利用密歇根州,佛蒙特州和弗吉尼亚州的污水厂数据对其进行建模分析。其中弗吉尼亚的污水厂位于切萨皮克湾地区,对氮磷的排放有着严格的要求。基于这些分析,研究人员探讨比较了两种系统的温室气体排放量、累积能量需求、淡水使用、富营养化潜力和酸化潜力等预期的环境影响。
  
  弗吉尼亚污水厂情景模拟结果:GWP(全球变暖潜势), CED(累计能量需求), EP(富营养化潜力), AP(酸化潜力)   来源:Hilton, 2020
  研究结果显示,相较于传统的系统,尿液的分流转移和两种利用方法在大多数环境效益影响分析中都占据上风,例如温室气体排放量可减少29-47%,淡水使用量能降低26-41%,能耗减少26-41%,富营养化减少25-64%。其中尿液浓缩制备的肥料能够降低土壤酸化(-24%),但是鸟粪石却更容易导致土壤酸化。之前也有一些研究通过生命周期评估对比常规系统与尿液回收利用系统的环境影响,但密歇根大学的这项研究是第一次详尽地通过建模对两种系统中污水处理过程的能耗和药耗进行对比,也是对大规模尿液回收利用系统对比常规污水处理和肥料生产系统的环境性能和收益的首次深入分析。
  密歇根大学土木与环境工程系的教授Glen Daigger也参与了这项研究,他表示,该研究成果证明了大规模尿液分流转移和回收系统的潜在环境效益,应继续开发这些技术并加以应用。
  参考资料
  Erickson, J. (2020, December 15). ‘Peecycling’payoff: Urine diversion shows multiple environmental benefits when used at cityscale. Retrieved from University of Michigan: https://news.umich.edu/peecycling-payoff-urine-diversion-shows-multiple-environmental-benefits-when-used-at-city-scale/
 Hilton, S., Keoleian, G., Daigger, G., Zhou, B., &Love, N. (2020, December 15). Life Cycle Assessment of Urine Diversion andConversion to Fertilizer Products at the City Scale. Environmental Science& Technology.