據(jù)預測，2010年至2050年間，全球糧食總需求將增長35-56%，同時全球人口將穩(wěn)步增長。近年來，糧食生產(chǎn)和分配成本的上漲受到COVID-19疫情、俄烏局勢、氣候變化和地區(qū)沖突的影響。國際貨幣基金組織強調(diào)，政策變化對于減少糧食不安全和改善化肥供應至關重要，特別是在較貧窮的國家。

合成肥料和有機肥料對于維持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍然至關重要。合成肥料使用從磷礦開采的磷、從鉀礦開采的鉀和從大氣中固定的氮，但這些資源的提取過程是能源密集型的，因此通過采礦活動和在生產(chǎn)中使用化石燃料能源對環(huán)境產(chǎn)生了長期的不利影響。有機肥料包括各種動物的糞便、苜蓿粉、血粉、魚粉和木灰，以及水或污水中的廢物。形成有機肥料的糞便和其他廢物體量龐大，運輸?shù)教镩g施用或處置的成本很高，但如果可以在現(xiàn)場或生產(chǎn)地附近處理，從這些廢物中獲得營養(yǎng)物質(zhì)，則可以省去昂貴的運輸費用。

可持續(xù)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)涉及有效地利用水、能源和營養(yǎng)資源；減少對環(huán)境的影響，保持經(jīng)濟實力，并最大限度地減少對有限的耗竭資源的依賴，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。圖1是如何從廢水中回收、再利用和循環(huán)養(yǎng)分以用于肥料的示例。

肥料常量營養(yǎng)素就是一種有限的耗竭資源。例如，磷酸鹽儲量可能會在未來50至100年內(nèi)耗盡。此外，廢棄農(nóng)產(chǎn)品也可能對環(huán)境有害，導致諸如藥物、病原體或金屬廢物污染作物以及地表水富營養(yǎng)化等問題。然而，這些廢物營養(yǎng)量高，因而具有巨大的潛力。

圖1：可持續(xù)農(nóng)業(yè)中的養(yǎng)分循環(huán)

循環(huán)生物經(jīng)濟一詞是指通過管理生物資源來改造和管理我們的土地、食品、健康和工業(yè)系統(tǒng)，以實現(xiàn)與自然和諧相處的可持續(xù)福祉的方法。通過利用可持續(xù)農(nóng)業(yè)的創(chuàng)新，在利用廢物中的營養(yǎng)成分以促進糧食生產(chǎn)和最大限度地減少對環(huán)境的影響方面具有巨大潛力。表1總結(jié)了常用的生物、化學和物理養(yǎng)分回收方法。近年來引起人們興趣的潛在可持續(xù)方法包括：

智能納米肥料： 氮納米肥料有望通過提高向植物輸送氮的效率和減少氮對環(huán)境的影響來提高氮利用率?？梢酝ㄟ^多種方式實現(xiàn)，如將肥料體積減少到納米顆粒、用納米材料補充肥料、通過封裝或儲存在納米孔中形成納米復合結(jié)構(gòu)以控制養(yǎng)分釋放。

生物精煉廠： 與利用作物作為原料的第一代生物精煉廠相比，第二代生物精煉廠使用殘余和廢物流。通過使用各種轉(zhuǎn)化平臺，經(jīng)過酶和微生物，生物質(zhì)被轉(zhuǎn)化為液體燃料和其他化合物氮。

生物炭(木炭)： 雖然使用生物炭在固碳方面是一個相對較新的概念，但這種類似木炭的物質(zhì)的歷史可以追溯到2000年前的亞馬遜盆地，當時人們認為向土壤中添加燒焦的生物質(zhì)可以改善土壤質(zhì)量和肥力。有機物(如枯萎植物或落葉)的厭氧熱解是一種清潔且節(jié)能的方法，可以產(chǎn)生穩(wěn)定形式的碳氮。

綠色氨： 這是使用可再生能源，氮氣和水使氨100%無碳化再生的過程。近年來，包括空氣產(chǎn)品公司、西門子、OCP、蒂森克虜伯和Grupo Fertiberia在內(nèi)的大公司已經(jīng)將使用電解水供應H2的綠色氨合成項目商業(yè)化氮。

鳥糞石： 鳥糞石，也稱為胍石或磷酸鎂銨 (MAP)，是一種晶體，其中 Mg ²⁺ 、(NH ₄ )+和 PO ₄ ³ - 以1:1:1的摩爾比或化學計量比例結(jié)合。它可以單獨使用，也可以與其他廢物衍生產(chǎn)品、微生物接種劑或傳統(tǒng)無機肥料一起用于復雜的肥料配方中。鳥糞石高營養(yǎng)成分和緩釋特性使其成為有吸引力的商業(yè)肥料生產(chǎn)候選物氮。

表1：從廢物中回收常用養(yǎng)分的方法概覽

CAS內(nèi)容合集(CAS Content Collection ^TM )是專家標引的科學數(shù)據(jù)資源合集。我們使用CAS內(nèi)容合集中收錄的數(shù)據(jù)來分析養(yǎng)分回收方法和推動創(chuàng)新的技術概念詞，為維護循環(huán)生物經(jīng)濟做出貢獻。在CAS內(nèi)容合集中，我們進行了全面的檢索，檢索結(jié)果表明在2001-2021年期間，與肥料有關的專利共121,213項、文獻共125，228篇(圖2)。期刊文獻重點研究了肥料對作物生長、生物響應和土壤肥力的影響，其中一些主題側(cè)重于肥料和污染物中養(yǎng)分的回收方法，這些污染物會導致接收水的富氧化，或農(nóng)業(yè)廢物和含有污染物的土壤。專利文獻則側(cè)重于與肥料養(yǎng)分回收、肥料配方和生物廢物(如糞便、灰燼和發(fā)酵)相關的有機物質(zhì)和生產(chǎn)工藝。

圖2：對肥料、可持續(xù)性、循環(huán)和回收主題進行的廣泛檢索獲得的期刊出版物和專利公開數(shù)量（2001-2021）

在CAS內(nèi)容合集中進行檢索，以發(fā)現(xiàn)利用氮、磷和鉀作為營養(yǎng)來源的可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢及其回收方法。

在期刊和專利中，“有機/無機小分子”、“元素”和“鹽/化合物”等物質(zhì)類別占主導地位，“混合物”在專利中也很普遍。

生物方法是最突出的養(yǎng)分回收方法，占期刊/專利出版物的66%，其次是物理方法(22%)和化學方法(12%)。

人們感興趣的關鍵主題集中在廢水處理污泥、生物炭和灰燼中的養(yǎng)分回收。生物炭生產(chǎn)、鳥糞石沉淀和綠氨合成有顯著趨勢。

在專利和期刊披露的主題中， 木炭/生物炭 呈現(xiàn)明顯增長趨勢，盡管2019年略有下降，但期刊出版物仍顯示出持續(xù)增長。特別是自2013年以來，圍繞可持續(xù)農(nóng)業(yè)的專利數(shù)量有所增加，盡管同比數(shù)字有些變化(圖3)。對概念詞進行分析，揭示了概念詞“廢水處理污泥”(wastewater treatment sludge)和“糞便”(manure)與“厭氧生物消化”(anaerobic biological digestion anaerobic biological digestion)之間的關系。

圖3：對肥料、可持續(xù)性、回收以及與廢物和廢水相關的回收主題使用CAS詞庫中的下位概念詞進行檢索，獲得的專利數(shù)量和期刊出版物數(shù)量（2000-2021年）

在研究期間，關于 鳥糞石 的出版物大幅增加。鳥糞石以[(NH ₄ )Mg(PO ₄ ).6H ₂ O]形式占主導地位;關于鳥糞石鉀[MgK(PO ₄ ).6H ₂ O] (圖4)的報道很少，盡管一些研究表明它可以回收并有可能用作磷酸鎂肥料。與鳥糞石生產(chǎn)有關的重要概念詞包括“化學沉淀”、“結(jié)晶”、“廢水處理沉降”和“吸附廢水處理”。

圖4：對可持續(xù)肥料進行檢索（2001-2021）， 獲得的主要鳥糞石形式的出版物數(shù)量（包括期刊和專利）

綠色氨 主要發(fā)表在期刊中，2020年專利文獻占總出版量的20%。從2017年到2021年，具有催化綠氨合成作用的物質(zhì)急劇增長;數(shù)量從2017年的不到100種不同物質(zhì)增加到2021年的近500種不同物質(zhì)。引起人們興趣的物質(zhì)是那些包含用于綠色氨合成的新催化劑的物質(zhì)，例如無機材料、有機/無機小分子、元素和配位化合物(圖5)。此外，以光催化或電催化氮還原為特色的期刊出版物比例從2001年的1%增長到2021年的25%，突顯了該方法的快速發(fā)展。

圖5：綠色氨合成研究中按年份（2001-2021）劃分的出版物趨勢和用于催化劑的不同物質(zhì)

隨著全球人口的迅速增長，農(nóng)業(yè)食品行業(yè)面臨的壓力越來越大?；噬a(chǎn)和農(nóng)業(yè)廢棄物的積累都造成了不可逆轉(zhuǎn)的環(huán)境破壞。可持續(xù)性和循環(huán)生物經(jīng)濟的概念已成為負責任農(nóng)耕的核心原則?？沙掷m(xù)農(nóng)業(yè)的原則激發(fā)了對廢物處理、養(yǎng)分回收和能源效率綜合系統(tǒng)開發(fā)的研究。

肥料生產(chǎn)的替代“綠色”工藝，例如綠色氨合成和從廢物和微生物成分中回收肥料養(yǎng)分，有可能改變我們的食品生產(chǎn)方式，并可以將廢物轉(zhuǎn)化為有價值的副產(chǎn)品。

養(yǎng)分回收過程正在商業(yè)化，以幫助提高效率、降低成本并最大限度地減少對環(huán)境的影響。一些值得注意的可持續(xù)農(nóng)業(yè)技術包括：

Pearl ^? and WASSTRIP ^? (Waste Activated Sludge Stripping to Remove Internal Phosphorus) technologies (Ostara Nutrient Recovery Technologies Inc., Canada)是用于生產(chǎn)Crystal Green ^? (是一種含有磷，氮和鎂的可持續(xù)回收緩釋肥料)的除磷關鍵工藝。Root-Activated ^TM 釋放優(yōu)化吸收并保護當?shù)厮Y源，同時提高產(chǎn)量。

AirPrex ^? (CNP CYCLES GmbH, Germany)是一種獲得專利的污泥優(yōu)化工藝，可改善生物磷酸鹽消除。在AirPrex ^? 反應器中，污泥經(jīng)過處理最終生成MAP或鳥糞石沉淀，可用作肥料。

AshDec ^? Thermochemical P-Recovery system  (Metso Outotec, Finland)通過從污水污泥灰中回收磷，提高植物利用率并降低重金屬含量。磷產(chǎn)品可溶于檸檬酸鹽，因此對環(huán)境友好。此外，磷的釋放是可控的——它只發(fā)生在作物根系分泌物存在的情況下。

The RecoPhos Project  (The RecoPhos Consortium)是由學術界、工業(yè)界和企業(yè)承擔的多學科項目。目標是使用創(chuàng)新的反應器從污水、污泥和灰燼中回收磷(如白磷或磷酸)。這項工作將為實施全面運行的臺式反應堆和中試規(guī)模工廠的設計奠定基礎。還將評估RecoPhos工藝的經(jīng)濟，環(huán)境和社會影響。

The Aqua2 ^TM N Process (Easymining Services, Sweden)從污泥液中回收氮氣。氮被吸附并以晶體被收集，然后以易用于肥料生產(chǎn)的形式回收。吸收劑可以簡單地再次使用。

諸如此類的舉措證明，科學、技術和工業(yè)之間的跨部門合作不僅克服糧食生產(chǎn)挑戰(zhàn)，而且還可以簡化廢物回收?？沙掷m(xù)農(nóng)業(yè)為我們的社會提供了一條面向未來的可靠之路。

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