分散式氮回收的集中化策略：可持续肥料供应链的模型

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《Journal of Environmental Management》：Centralized strategies for decentralized nitrogen recovery: A model for sustainable fertilizer supply chains

【字体：大中小】 时间：2025年10月03日 来源：Journal of Environmental Management 8.4

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　　氮循环与集中化处理的经济优化研究。通过混合整数线性规划模型优化欧盟地区 decentralized 氮回收的集中化处理，整合预处理和运输枢纽降低物流成本50%、预处理成本57%，使年利润从€0.6M提升至€5.1M。该框架支持欧盟 Farm-to-Fork 战略目标，实现氮排放50%削减和化肥用量20%减少。

　　本研究探讨了如何将分散的氮（N）回收与集中、统一的肥料生产相结合，以提升经济可持续性，并支持欧盟（EU）“从农场到叉子”（Farm-to-Fork，F2F）战略的目标，即减少营养物质排放50%和肥料使用量20%。当前的氨（NH?）回收技术在推广过程中面临诸多挑战，包括产品成分不一致、液体状态以及较高的成本。为此，本研究构建了一个混合整数线性规划（MILP）模型，以优化集中处理过程，结合预处理/运输枢纽和监测化学变化。情景模拟显示，运输成本减少了一半，预处理成本降低了43%。通过充分利用粪便液体部分的氮回收，可以将收入提高五倍，而运营成本仅增加三倍，净利润从每千克氮0.6万欧元（€0.6M）提升至每千克氮1.1万欧元（€5.1M）。这些发现表明了集中处理氨的经济可行性，并提供了一个可扩展的框架，以提高不同欧盟地区的营养物质循环性，从而满足欧盟的环境目标。

在研究的背景下，欧盟的F2F战略倡导采用全面的方法来减少营养物质排放和肥料使用，而通过回收实现营养物质循环被认为是实现这些目标的关键策略之一。这不仅有助于优化农业系统的可持续性，还可以与饮食结构的调整和生产效率的提升相结合。动物粪便中的反应性氮（Nr）作为一种替代传统哈伯-博世法生产的氨（NH?）的资源，具有在欧洲的丰富供应和成熟的回收技术（技术成熟度达到TRLs 8以上）。然而，回收的Nr在实际应用中仍然受到诸多限制，主要原因包括产品成分的不稳定性、液体状态带来的土地利用困难、《硝酸盐指令》下的监管障碍，以及在分散系统中存储、运输和处理的高成本。

这些挑战在分散的循环生物经济体系中更为突出，因为这种体系通常具有空间碎片化和产品多样性等特征。因此，引入一个集中处理阶段可能有助于解决这些问题，通过改善物流和产品的一致性。已有研究表明，优化相互关联的供应链决策对于从分散的生物经济模式向稳健的生物经济模型转变至关重要，重点在于决策层级的协调以及解决不同参与者之间的碎片化问题。将分散的回收与集中处理相结合的战略规划可以被概念化为一个供应链管理问题，通过优化从Nr回收到最终肥料生产的活动，使用已经成熟的供应链工具来提升经济和环境绩效。尽管这些工具在多个行业中已被广泛应用，但在管理从废弃物中回收无机化合物如Nr到矿物肥料的经济物流以及估算其环境影响方面仍存在研究空白。

在研究中，我们关注了多种氮回收技术，如氨气吹脱、吸收、膜分离、蒸发和沉淀，这些技术在粪便和废水处理系统中正逐步得到应用。然而，目前的研究主要集中在优化单个工艺的性能和产品质量上，缺乏对整体供应链的整合。关键挑战，如产品特性的变化、高昂的物流成本以及对能源或处理基础设施的不一致获取，尚未得到有效解决。现有研究很少考虑将分散的氮回收扩展为集中、市场化的肥料生产所需的空间、经济和物流维度。为了解决这一问题，本研究开发了一个统一的氨供应链概念，优化经济和环境表现，重点在于在转化为最终肥料之前对上游工艺的优化，因为下游的肥料分销系统已经相对成熟。

上游框架包括通过排放控制（如稳定和堆肥设施中的氨气吸收）或末端处理方法（如从粪便中提取氨气后使用HNO?或H?SO?等吸收剂进行吸收）实现氨气的回收。这种末端处理方法在欧盟市场中具有显著的潜力，预计每年可回收13千吨氮，其中包括4千吨在佛兰德地区。当考虑外部成本时，这一潜力几乎增加了十倍，达到30千吨在佛兰德地区。预处理液体中的NH??盐涉及通过过滤或沉淀去除杂质，以及通过热干燥或冷冻浓缩进行浓缩。该框架还包括储存、运输至预处理/转化工厂以及转化为统一固体肥料的过程。

通过空间和市场分析，以及开发一个以工艺和物流为导向的MILP优化模型，本研究旨在设计高效的氨盐供应链，同时考虑相关的温室气体（GHG）排放以评估其环境表现。该模型明确整合了分散回收、预处理、集中转化以及相关物流，利用供应链优化工具和排放系数来提升循环氨经济的可持续性和效率，使其与欧盟的环境目标相一致。研究结果表明，集中处理不仅能够提高氮回收的经济价值，还能有效解决分散生产带来的各种问题，从而推动更加可持续的农业实践。此外，研究还强调了通过优化供应链结构，实现资源的高效利用和环境影响的最小化，对于实现欧盟的长期可持续发展目标具有重要意义。

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