在循环经济时代，我们来聊聊氮？

近年来，世界各国都在推行“循环经济”的理念。水务部门是推动循环经济发展的重要力量，因为污水处理和自来水处理都要耗费大量的能源和资源。另一方面，从污水中回收资源也不是什么新话题了，非直饮式的水回用也非常成熟了，有些地区甚至已达到饮用级别。目前实现的技术一般是生物处理加紫外消毒、活性炭吸附和/或反渗透。我们用厌氧硝化技术将污水污泥中的有机碳转化为甲烷也有几十年历史了，这些潜在能量一般通过热电联产(CHP)的方式回收电能和热能。污泥经过巴氏消毒或以其他方式的无害化处理，也可用作肥料。除此以外，我们还能在污水身上挖掘什么呢？对此，澳洲昆士兰大学的Ilje Pikaar博士，以及比利时根特大学的Korneel Rabaey教授和Willy Verstraete教授在国际水协会会员杂志《The Source》杂志里，分享了他们对氮需求的反思。

图1. 从左往右分别是Pikaar博士、Rabaey教授和Verstraete教授

对氮需求的反思

氮是一种至关重要的资源。这主要是因为它在食品行业担当的角色——氮是蛋白质生产的关键成分。然而，农业氮肥的使用情况却导致了全球氮循环的严重失衡。在农业生产链中，每年通过哈伯法(Haber-Bosch工艺) 人工合成的农用氨约1亿吨。在肉类生产方面，只有4％的活性氮最终落到我们的盘子里，即使是似乎更环保的素食餐，这个数值也只有14％。剩下的氨导致了当今世界上许多地方的氮过量问题。

图2. 人工合成的氮肥使用效率低下 

剩下的氮大多变成了“废物”，有的被“破坏”形成氮气，有得则直接进入水环境或大气。据估计，美国和欧盟每年由农用活性氮造成的污染成本分别为2100亿美元和3200亿欧元。

为了在不断发展的现代社会中实现可持续的粮食供应，我们需要在农业领域寻找更加高效的氮利用方式。另外，此外，我们还要限制氮排放并实现最大程度的回用。

变脱氮为机遇

生活污水是主要的氮污染源，而且存在被稀释的问题。生活污水每年约含有2000万吨的活性氮，预计到2050年这个数值将增至3500万吨。污水中的这些氮通常以铵的形式存在，在某些情况下也会以硝酸盐的形式存在。

目前处理污水中氨氮的标准方法是将各种形式的氮转化为氮气后排放到大气中。经过几十年的实践，硝化/反硝化工艺成为许多污水处理厂脱氮的常规操作。虽然近年来我们也看到各种更加节能的脱氮工艺，但与其大费周折的脱氮，我们能否将更多的人力物力用来回收氮资源，并且直接农用呢？

氮回收

欧盟境内目前约有30000座市政污水处理厂，处理能力超过7.9亿人口当量。欧洲每年进口的大豆里，有2000万吨用于蛋白质生产。这些大豆的蛋白质含量约40％，也就是每年可以从中得到800万吨蛋白质。如果有30%的欧洲污水处理厂施行氮回收技术，并将回收的氮用于生产饲料或食物蛋白，那么欧盟其实完全可以实现蛋白质自给。

污水中的氮可以通过微生物蛋白(MP)或者藻类生产系统来转化成食用蛋白或动物饲料。这种方法的优点有很多，例如无与伦比的氮-蛋白质转化率——用作饲料蛋白时，氮的转化效率可从4％提高到10％，而用作食品时则可提高到43％。而且这是一种紧凑型的生产工艺，反应器中的单位面积产量可高达4千克/立方米/小时(干重)，而且用水量减少多达98%。相较之下，常规的肉类生产需要两公顷的耕地才能生产一吨的可食用动物蛋白。并且，因为可以在反应器中生产，该工艺还有很高的适应力，不受气候和地理位置的影响。

荷兰水循环研究所KWR的评估显示，阿姆斯特丹西区污水厂一年的污泥消化液能产生6300吨单细胞蛋白（SCP），相当于能满足城市人口36%的净蛋白需求，如果进水的氨氮都能得到回收，那么污水厂的氮源可以满足整个城市的蛋白需求。

图4. 位于荷兰Enschede污水厂的Power-to-Protein中试系统

显然，目前微生物蛋白的生产技术不能完全满足全球的蛋白需求，但它也已经足够保证污水厂的氮回收了。污水变蛋白最常见的步骤是氨氮吹脱，尤其是在高氨氮的污水中。吹脱出来的氨转化为硫酸铵，这些溶液已经可以用作肥料。在随后的生物反应器中，硫酸铵通过生物合成直接转化为单细胞蛋白（SCP）。污水的氨氮浓度偏低是一个难题，目前多会收集厌氧发酵后的沼渣来回收氮，另外也有引入鸟粪石回收的方法。源头分离是一种有效的氮源收集方法，荷兰和比利时都在进行这方面的探索尝试。例如比利时根特市Dokken项目。这是一个新建的居民区，服务人口约1200人。作为欧洲HORIZON 2020下Run4Life的示范项目，430所房屋和其他建筑都配备了尿粪分离厕所、厌氧消化、鸟粪石沉淀和氮回收的综合系统。

图5. 位于比利时根特的占地51500平方米的ZWENUR（零废水+能量资源回收）项目 |图源：Stad.gent

大规模？小规模？

就源头分离而言，越靠近民居意味着越接近分散式的回收系统。从经济角度考虑，这可能是一个不小的挑战，因为这些资源回收的方法要和集中式的工业方法竞争，这个问题在发达国家尤为突出。对工业化的氮肥生产来说，资源回收不是必要组成。

过去几个世纪里，我们其实早就在全球各地实践过氮回收的理念，也就是将人和动物的粪便用于土地施肥。在今天的卫生理念里，发展中国家可以设想通过小规模、分散化的现代环境技术，用更安全的回收方法替代过人畜粪便的直接农用，而且这种技术其实是可以和那些大规模的集中式方法共存的。

阻碍因素

我们在推广这些新理念的同时，还需考虑一些往往被人忽略的因素，例如当地的经济发展水平。非常的重要的一点是，任何物质的回收都首先要满足质量安全标准，同时要和当地条件和环境情况相匹配。对于一些发展中国家而言，一些相对小型的系统可能更快地实现创新和实施。

但技术因素并不是阻碍这些方法普及的主要原因。社会的接受度才是重点。这需要包括教育在内的社会观念的转型，例如一些水回用计划，已经在很多地方遭到公众的强烈抵制。新技术的推广要避免掉进这些泥潭。另一方面，这些新类型的饲料和食品成分也需要得到法规的支持，甚至是新的经济框架来核算生产成本，包括考量环境和社会成本。这样才能真正促进新技术和社会的接轨，而不是让未来的投资回到传统生产的老路上去。这些是立法者应该去鼓励的事。

迈向循环经济

纵观历史，城市水管理最重要的作用一直是维护人类健康和保护环境。为了满足这个要求，水务部门的工作重点始终放在污水和废物的消散和去除上。活性污泥法无疑是20世纪最伟大的工程成就之一，它对我们的社会产生了重大的积极影响。但在21世纪，这种方法已不足以解决问题，因为在循环经济时代，水是一种“按需生产”的商品。这意味着城市水管理需要重新定义其在循环经济中的作用，跳出过去仅仅保护人类和环境健康的范畴，将资源回收纳入城市水资源的管理目标，让城市水管理成为一股更加积极主动的经济力量。在城市用水、工业用水方面，政府应该让水务部门和农业部门建立更加密切的关联。同时，水管理的本质还是能源管理，促进可再生能源的发展也是资源回收能否进一步普及的关键所在。

资源回收新书

如果大家想进一步了解污水资源回收的最新进展，可以关注IWA国际水协会出版的新书《Resource Recovery from Water: Principles and Application》。该书旨在阐释水资源回收的基本原理，并从正确的法律、经济和环境框架内，对目前资源回收的最新创新进展作全面概述和批判性评估。

CAPTURE-资源回收新组织

最近，有一个叫CAPTURE的组织在比利时成立了。它的全称是Centre for Advanced Process Technology for Urban Resource recovery，即城市资源回收先进工艺技术中心。CAPTURE想通过自上而上的方法， 集合科学家、工程师、企业和政府的智慧和资源，共同促进新型资源回收技术的发展。这个组织从一开始就邀请社会科学家的加入，因为创新理念会引起争议，他们希望社会科学家能指导组织更好地将资源回收的理念融入当今社会。目前该项目已经得到欧盟和比利时佛兰德地区的若干单位的资助。若想了解该项目信息，也可访问其官网www.capture-resources.be进行查询。