《Total Environment Engineering》：Upscaling circular nitrogen recovery technologies in wastewater treatment in The Netherlands: From plant optimization to systemic innovation
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本文针对荷兰废水处理系统实现氮循环管理的技术瓶颈，探讨了真空膜汽提(VMS)、双极膜电渗析(BPMED)和鸟粪石沉淀耦合氨 valorization 等新兴氮回收技术的规模化挑战。研究通过技术评估与利益相关者访谈，揭示了技术扩散受限于操作复杂性、系统整合难题及不确定的经济法规环境。结果表明，需将技术发展同制度与基础设施变革相结合，方能推动废水管理从试点走向系统创新，对推进循环经济具有重要参考价值。
氮是粮食生产和生态系统生产力的关键元素，然而，以硝酸盐、亚硝酸盐和氨等形式存在的活性氮过度排放，已成为人类世最普遍的环境挑战之一。荷兰的情况尤为突出，其土地利用的氮强度在欧洲最高，围绕氮环境效应的政治敏感性也最为尖锐。长期的硝酸盐淋溶和氨挥发已导致地表水质量下降、富营养化，并危及对欧盟水框架指令和栖息地指令的合规性。
数十年来，荷兰的废水处理和农业政策侧重于氮的去除而非回收。生物硝化-反硝化系统旨在将氮氧化并以惰性的N2气体形式释放，这实际上是将活性氮耗散，而非闭合循环。这种方法反映了历史上强调农业生产率、污染控制以及后期成本效益的广泛政策优先事项。过去的研究和创新体系旨在提供处理性能的渐进式改进，而非探索营养物价值化或循环资源利用。
然而，在过去十年中，这种逻辑开始转变。循环经济和气候中和议程的兴起，已将废水重新定义为可再生资源平台。诸如Topsector Water & Maritime计划和Energie- en Grondstoffenfabriek (EFGF)等使命导向型倡议，已开始资助营养物和能源回收试点项目，并得到区域水管理机构（致力于实现能源中性运行和废水处理残留物中原材料与营养物的完全回收）的支持。这些发展恰逢一波技术创新浪潮，使得氮回收在技术和经济上变得可行。
在众多新兴方法中，真空膜汽提(VMS)、双极膜电渗析(BPMED)和氨制能技术因其高回收效率以及与能源正效废水处理的兼容性而脱颖而出。VMS系统以适中的能耗实现超过90%的氨回收率，而BPMED利用可再生电力且无需化学试剂，可生产近乎纯净的氨。回收的氨若与催化裂解或固体氧化物燃料电池相结合，可作为无碳能源载体。这些技术共同提供了一条将氮管理从污染控制转向循环资源回收的路径。
尽管试点结果令人鼓舞，但大规模应用仍然有限。膜污染、工艺整合、不确定的产品市场以及限制性的监管定义继续制约着升级放大。理解这些技术与制度障碍如何相互作用，对于确定如何推动循环氮管理从试验性试点走向全面运营至关重要。
因此，发表在《Total Environment Engineering》上的这项研究，旨在审视荷兰废水处理领域循环氮回收技术的成熟度与升级挑战。它综合了来自试点研究和同行评审文献的技术数据，以及访谈和政策文件的见解，以确定技术潜力与实际约束相遇的环节，并就如何克服这些约束以实现系统创新提出建议。
为开展本研究，研究人员采用了混合定性方法，结合了技术文献综述、专家访谈和文件分析。研究团队回顾了2015年至2025年间发表的133篇（大部分为同行评审的）文献，以比较VMS、BPMED和氨制能转换系统的性能。报告的有关氮回收效率、能耗、试剂使用等数据均经过标准化处理以实现交叉比较。技术成熟度使用技术就绪水平(TRL)进行评估。此外，研究在2021年至2023年间对通过目的性抽样选出的16位利益相关者进行了半结构化访谈，受访者包括区域水管理机构、研究机构、技术供应商以及政府或政策组织的代表。访谈数据采用主题编码方法进行主题分析，以识别影响技术采纳和规模化的反复出现的技术与制度因素。
3. 循环氮回收的技术发展
研究表明，传统的荷兰废水处理通过生物硝化-反硝化去除大部分氮，将铵转化为惰性N2气体。虽然这防止了富营养化，但也破坏了有价值的活性氮，并需要大量的能量和碳源输入。在循环经济原则日益受到重视的背景下，研究重点已转向从高浓度侧流（如消化液浓缩液，通常含有500-2500 mg N/L的氮）中回收和再利用氨的技术。
3.4. 从浓缩流中获取氨
研究探讨了将溶解的铵离子(NH4+)转化为气态氨(NH3)的方法，该转化受pH值和温度平衡反应控制。提高pH值或温度可使平衡向生成NH3的方向移动。真空膜汽提(VMS)使用气体可渗透的疏水膜选择性地将气态NH3从液相传递到气相。该工艺技术就绪水平(TRL)达到7-8，已在试点规模得到演示，当前应用侧重于生产用于肥料或化学原料的铵盐。
3.5. 双极膜电渗析(BPMED)
双极膜电渗析(BPMED)是一种特别有前景的新方法。该过程通过使用由阳离子和阴离子选择性层组成的双极膜来改进常规电渗析。当施加电流时，这些膜将水分解为氢氧根离子(OH-)和质子(H+)。应用于富铵废水时，NH4+离子与原位生成的OH-结合，在碱室中直接形成NH3和H2O。因此，BPMED无需化学添加剂，仅依赖电力即可生产氨。尽管BPMED在食品和去离子水生产等其他行业已商业化，但用于氨回收仍处于实验室规模，TRL为4-5。
3.6. 鸟粪石的形成与分解
另一条回收途径涉及鸟粪石的形成及其热分解释放氨气。鸟粪石（(NH4)MgPO4·6H2O）通过向富含铵和磷酸盐的溶液中添加镁盐（例如Mg(OH)2）形成。鸟粪石在50°C以上变得不稳定，并在100–120°C完全分解，释放出气态NH3和水蒸气。残留的磷酸镁氢可以回收至鸟粪石反应器或作为肥料原料再利用。
3.7. 从氨产生能量
氨不仅是一种有价值的氮载体，也是一种无碳能源载体，适用于在废水处理厂(WWTP)内进行现场发电。相关技术包括内燃机(ICE)、燃气轮机和燃料电池。其中，固体氧化物燃料电池(SOFC)最为先进，已达到较高的演示水平。SOFC在高温下运行，有两种类型：氧离子传导型(SOFC-O)和质子传导型(SOFC-H)。SOFC-O通过在其阳极高温热分解氨为氢气和氮气，氧离子通过电解质迁移到阳极与氢气反应产生电流。SOFC-H的工作原理类似，但使用质子作为电荷载体。
3.8. 核心回收路径
研究确定了三个具有高循环氮回收潜力的关键技术族：真空膜汽提(VMS)、双极膜电渗析(BPMED)以及鸟粪石沉淀结合热转化氨制能技术。性能比较显示，VMS和BPMED因其高效率和模块化特性，在近期部署方面显示出最高的潜力，而鸟粪石回收则提供了即时应用潜力以及与能源转化的桥梁。成熟工艺的能耗范围在0.5–1.5 kWh/kg N，远低于哈伯-博施工艺合成氨所需的9–12 kWh/kg N，凸显了循环回收的环境效益。
4. 升级障碍与有利条件
研究表明，尽管技术可行性取得突破，但大规模实施仍然有限。挑战已从概念验证转向集成验证：将这些技术嵌入现有废水处理系统的运营、经济和监管现实中。
4.1. 技术与运营障碍
大多数氮回收技术目前处于TRL 5–7水平，此时实际挑战而非概念挑战占主导地位。操作人员访谈表明，当暴露于消化液浓缩液典型的波动pH值、温度和固体含量时，膜污染和结垢问题持续存在。连续运行需要精确的过程控制和频繁的清洗，这可能抵消能量收益并增加劳动强度。此外，在紧凑的城市污水处理厂，空间限制使改造复杂化。
4.2. 组织与经济障碍
区域水管理机构在技术能力和投资任务方面存在差异，许多机构缺乏专门的创新管理人员。由于氮回收不是法定合规参数，对新回收系统的投资常常需要与传统的产能扩张或出水质量升级项目竞争。经济可行性同样受到产品市场不成熟的制约。回收的铵盐和氨溶液与低成本合成肥料竞争，而后者的价格与波动的全球天然气市场挂钩。
4.3. 监管与制度障碍
现有的监管框架是为污染物去除而非资源回收而设计的。操作者普遍指出三个障碍：缺乏明确的回收营养物报废标准；限制性的欧盟采购规则阻碍了区域适应性；以及面向短期合规结果的资助周期。公用事业公司还面临副产品商业化的法律限制，这阻碍了对市场价值不确定的回收技术的投资。
4.4. 从试点到平台：规模化的要求
有效的升级取决于三个相互依赖的领域同时取得进展：技术整合（将膜和电化学单元与现有的污泥处理线整合）；制度整合（建立跨公用事业的联盟以分担投资风险）；以及监管整合（调整环境许可、产品标准和安全法规，承认回收氨作为营养物和能源载体的双重角色）。
5. 讨论
研究指出，荷兰的氮管理在七十年间已从生产力驱动的效率措施演变为污染控制，再到如今的循环回收。真空膜汽提和鸟粪石沉淀被认为是接近成熟的技术(TRL 7–8)，而BPMED和氨制能系统虽处于商业化前阶段但发展迅速(TRL 4–6)。
5.1. 从厂级优化到系统转型
荷兰试点网络内的系统建模练习表明，将VMS和BPMED与厌氧消化相结合，可将处理设施转变为净能源生产者。从氨中回收的能量可以在现场再利用、输送到电网或以化学形式季节性储存。这种多功能性与将水管理、营养物循环和可再生燃料开发联系起来的欧洲能源转型目标相一致。
5.2. 荷兰在新兴全球领域中的定位
荷兰结合了高氮压力、密集的水基础设施网络和强大的研究能力，使其成为循环氮技术的理想试验台。日本和韩国的类似倡议表明，早期的政策协调和综合资助可以加速技术扩散。通过连贯的国家战略和持续的投资，荷兰公用事业公司可以类似地开创氮制能系统，并出口技术和管理模式。
5.3. 未来研究方向
未来的工作应解决剩余的分析、运营和社会层面的空白，包括进行综合评估（全面的生命周期和技术经济评价）、系统建模（链接氮回收、能量流和温室气体减排的动态模型）、研究社会接受度（公众信任、安全认知和沟通策略）以及进行比较治理分析（探索国际政策框架）。
6. 结论
未来十年将决定氮回收是保持为利基创新，还是成为废水处理基础设施的主流元素。仅靠技术准备度是不够的。成功的扩散取决于制度学习、风险共担融资和适应性监管。将氮回收置于欧盟绿色新政的循环经济目标框架内，可以为长期投资提供理由，并促进将回收氨作为可再生原料的国际标准化。如果荷兰通过协调的政策和示范资金利用其试点势头，它可能为整合资源回收、脱碳和水治理设定一个全球基准。
