利用含藻蓝蛋白生物体中的氮废物来开发微生物蛋白的生命周期评估与技术经济分析

《ACS ES&T Water》：Life Cycle Assessment and Techno-Economic Analysis of Utilizing Waste Nitrogen to Develop Microbial Protein from Cyanophycin Accumulating Organisms

污水处理中氮循环经济与PRR技术及蓝藻蛋白的可持续性评估，采用生命周期评估和techno-economic分析，比较传统活性污泥法（CAS）和厌氧氨氧化工艺（A2O）与PRR技术，发现PRR在降低全球变暖潜力（1-32%）、能源消耗（21-45%）和水足迹方面更具优势，同时通过销售蓝藻蛋白（CAO MP）可降低运营成本，具备经济可行性。

　　随着全球人口的持续增长，氮的工业生产需求也在不断上升。1980年至2020年间，全球氨需求增加了210%。预计到2050年，氨的产量还将增加40%。氨的生产主要依赖于Haber–Bosch工艺，该工艺虽然在农业和工业中发挥了重要作用，但其对能源、环境和经济的负面影响不容忽视。氨生产占全球能源消耗的2%，并贡献了全球碳排放的1.3%。此外，约60%至70%的氮在生产后会通过各种途径流失到环境中，导致温室气体（N?O）排放增加、藻类大量繁殖以及水体富营养化等问题。氮污染对全球生态系统和公共健康服务造成的经济损失估计每年在3400亿美元至3.4万亿美元之间。这些挑战凸显了建立氮循环型经济的必要性，以减少当前线性氮系统所伴随的能源消耗和环境污染。

人类每年向市政污水中排放超过23太克（Tg）的活性氮，这些氮大多源自农业、工业和生活活动。因此，市政污水处理厂（WWTPs）在实现氮循环型经济方面将发挥关键作用。目前，大多数污水处理厂并未将进水中的氮回收并转化为有价值的产物。仅有约13%的污水处理厂，尽管它们处理了39%的总污水流量，采用了如硝化反硝化等技术来将氮转化为氮气（N?）。这些技术虽然有效，但通常需要大量的能源，尤其是曝气过程，占污水处理厂总能耗的50%至60%。这种高能耗的氮去除过程不仅浪费了氮资源，还加剧了温室气体排放。为了应对这些问题，多个国家已开始推动氮回收技术的发展，例如欧盟在2025年实施的《城市污水处理指令》，要求处理人口超过1万的污水处理厂到2045年将氮和磷的排放分别减少82.5%和87.5%。然而，增加氮回收技术可能会显著提高污水处理厂的能源消耗和碳排放，以及水处理成本，因此开发高效且可持续的氮回收技术成为迫切需求。

近年来，生物和物理化学氮回收技术展现出巨大潜力，为实现氮的循环利用提供了新的思路。其中，一种新兴的氮回收方法是“分区-释放-回收”（Partition–Release–Recover, PRR）技术。该技术通过将污水中的氮转化为富含精氨酸和天冬氨酸的微生物蛋白（CAO MP），实现氮的高效回收。CAO MP不仅是一种高氮含量的生物聚合物，还因其营养成分而被视为动物饲料的潜在替代品。全球动物饲料蛋白市场价值约2470亿美元，预计到2034年将增长6.4%。因此，利用污水处理厂生产CAO MP具有重要的经济和环境意义。

为了全面评估PRR技术的可行性，本研究采用了生命周期评估（LCA）和技术创新经济分析（TEA）方法，将PRR技术与传统的污水处理系统（如常规活性污泥法CAS和厌氧/缺氧/好氧A2O系统）进行对比，并与五种常见的动物饲料蛋白来源（大豆粕、苜蓿饲料、鱼粉、棉花籽饲料和干酒糟）进行比较。研究结果显示，PRR技术的全球变暖潜力（GWP）比传统污水处理系统低1%至32%，其氮处理的平均生命周期成本（LCWT）比A2O系统低34%至58%。这表明，PRR技术在降低氮排放和提高氮资源利用效率方面具有显著优势。

CAO MP的环境表现优于传统蛋白来源，特别是在全球变暖潜力和水消耗方面。相较于大豆粕和棉花籽饲料，CAO MP的生产消耗的水资源更少，且其生命周期温室气体排放也更低。在市场价值分配方法下，CAO MP的水消耗与鱼粉、苜蓿饲料和棉花籽饲料相当。此外，CAO MP的生产还涉及到土地使用方面的考量。由于PRR技术需要整个污水处理厂的支持，其土地使用成本会包括污水处理厂的全部运营活动。然而，无论采用哪种分配方法，CAO MP的土地使用成本都低于大豆粕和干酒糟，但高于鱼粉。因此，CAO MP作为一种新的氮回收产品，其环境和经济优势是显著的。

从经济角度来看，PRR技术的实施能够通过销售CAO MP产生额外的收入，从而降低污水处理厂的运营成本。特别是在达到最高氮回收水平时，PRR系统的运营成本可以降至A2O系统的55%至82%。此外，CAO MP的市场潜力为污水处理厂提供了额外的经济回报，使其在满足氮排放标准的同时，还能创造价值。这不仅有助于提高污水处理厂的经济可行性，也为实现氮的循环利用提供了新的动力。

在技术层面，PRR技术的优势在于其能够同时处理污水中的氮并生产有价值的微生物蛋白。相比之下，传统的氮回收技术如空气剥离和膜接触器虽然在某些情况下有效，但它们的环境和经济成本往往较高。例如，空气剥离技术虽然可以回收氨并转化为硫酸铵，但其高能耗和复杂的处理步骤限制了其广泛应用。而膜接触器虽然在某些情况下能有效回收氮，但其生产过程同样依赖于大量能源输入。相比之下，PRR技术通过利用污水中的氮资源，实现了能源和环境负担的合理分配，为实现可持续的氮回收提供了可行的路径。

然而，PRR技术的推广仍面临一些挑战。首先，CAO MP的生产过程需要进一步优化，以提高其生产效率和经济可行性。其次，需要选择合适的CAO菌株，以确保其在污水处理厂中的稳定性和高效性。此外，CAO MP的详细特性分析也是必要的，包括其营养成分、安全性以及是否含有潜在的污染物（如重金属和全氟烷烃类物质PFAS）。虽然初步研究表明，CAO MP中的主要氨基酸——精氨酸和天冬氨酸——是动物饲料中重要的营养成分，但为了确保其在饲料中的安全使用，仍需进行更深入的检测和评估。特别是PFAS等持久性污染物的检测，对于CAO MP在饲料中的应用至关重要。

在生命周期评估（LCA）和技术创新经济分析（TEA）方法的应用上，本研究提出了两种功能单位：一种是基于每立方米处理污水的评估，另一种是基于每公斤蛋白质的评估。这两种方法分别用于比较PRR技术与传统污水处理系统以及CAO MP与传统蛋白来源的环境和经济影响。功能单位的选择对评估结果具有重要影响，因此在进行氮回收技术的评估时，应综合考虑不同功能单位的适用性。此外，由于PRR技术能够同时生产污水和CAO MP，因此需要采用合理的副产品分配方法，以准确反映其对环境的影响。目前，副产品分配方法主要包括质量分配、市场价值分配和替代分配，每种方法都有其优缺点。质量分配假设副产品与主产品在质量上的比例决定了其环境负担，而市场价值分配则考虑了市场对副产品的价值，但可能引入不确定性。替代分配则基于避免生产传统蛋白来源所带来的环境效益，但需要明确替代的蛋白种类和数量。

总体而言，PRR技术为实现氮的循环利用和减少氮污染提供了新的可能性。通过将污水中的氮转化为高价值的微生物蛋白，不仅能够降低污水处理厂的碳排放和能源消耗，还能创造额外的经济收益。然而，为了确保PRR技术的广泛应用，仍需解决一些关键问题，包括副产品分配方法的优化、污染物的检测和去除、以及如何将该技术整合到现有的污水处理基础设施中。此外，还需要进一步研究和开发适用于CAO MP的生产工艺，以提高其质量和产量，并确保其在饲料中的安全使用。未来的研究应重点关注PRR技术的优化、CAO菌株的选择以及对CAO MP的详细特性分析，以推动该技术在实际应用中的可行性。同时，政策制定者和行业相关方也应考虑如何通过激励措施（如碳市场和税收抵免）促进PRR技术的推广，从而实现更可持续的氮回收和资源利用。