N2O作为反应物而非污染物在污水处理厂中的应用：N2O制苯酚的生命周期评价与技术经济分析

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：N2O as a Reactant Rather Than Pollutant at Wastewater Treatment Plants: Life Cycle Assessment and Technoeconomic Analysis of N2O-to-Phenol

　　

温室气体（GHG）减排技术对于降低污水处理厂（WWTP）的温室气体排放至关重要。研究人员对一种新型技术进行了生命周期评价（LCA）和技术经济分析（TEA），该技术可将污水处理厂中的氮（N） intentionally 转化为N₂O，并将该气体作为氧化剂用于生产苯酚及联产物N₂。研究人员将该技术与传统路线（ cumene 法苯酚、低温精馏法制N₂及变压吸附法制N₂）生产苯酚和N₂的成本与可持续性进行了比较。根据联产物分配方法的不同，由污水处理厂氮源生产的苯酚的累积能源需求（CED）中位数比 cumene 法生产苯酚高30%至50%；而通过该途径生产苯酚的全球变暖潜势（GWP）与传统路线相比，低10%至高40%。然而，根据污水处理厂规模、N₂O回收水平以及原料和产品的市场价格，采用该技术在污水处理厂生产苯酚可获得正内部收益率（IRR）。研究人员得出结论，该技术可适用于大型污水处理厂，但仍需技术进步。

该研究发表于《ACS Sustainable Chemistry》，旨在探索将污水处理厂（WWTP）转化为废水资源回收设施（WRRF）的新途径，以应对N₂O这一强效温室气体带来的环境挑战。N₂O的温室效应潜能值（GWP）是CO₂的273倍，而其大气寿命约为116年。传统污水处理厂中，N₂O排放量可占其温室气体总排放量的50%，主要来源于硝化-反硝化脱氮过程。与此同时，曝气过程能耗高达污水处理厂总能耗的60%。在此背景下，如何将废氮资源化、变废为宝，成为该领域的核心科学问题。

研究人员聚焦耦合好氧-缺氧N₂O分解操作（CANDO）技术，系统评估了从污水处理厂回收N₂O并将其作为选择性氧化剂生产苯酚的全流程环境与经济性能。CANDO技术通过三个步骤实现N₂O的有意生产：首先通过亚硝化将铵（NH₄⁺）转化为亚硝酸根（NO₂^-）；随后进行部分N₂O反硝化产生N₂O；最后通过气提回收含N₂O的稀释气体混合物。传统上，CANDO产生的N₂O与厌氧消化产生的沼气（CH₄、CO₂混合物）共燃以增强能量回收。然而，N₂O作为选择性氧化剂在化工生产中具有更高附加价值，这为重新定位N₂O的角色——从强效温室气体转变为免费的选择性氧化剂——提供了独特机遇。

该研究选择N₂O与苯反应制苯酚作为分析基准，原因在于该工艺已实现中试规模验证。研究从两个视角开展量化评估：一是比较实施该技术污水处理厂与未使用侧流氮处理技术基准设施的累积能源需求、全球变暖潜势和水消耗；二是比较WWTP基与传统苯酚和N₂生产的成本、累积能源需求、全球变暖潜势和水消耗。分析涵盖了25、50和100百万加仑/日（MGD）三种常见美国污水处理厂规模，并考虑了常规活性污泥法（CAS）和厌氧-缺氧-好氧法（A2O）两种主流工艺配置。N₂O回收设置基准情景（68%回收率）和最佳情景（100%回收率）两种方案。原料氨来源包括灰氨（天然气基）、蓝氨（天然气基+碳捕集）和绿氨（可再生能源电解水制氢）三种情景。

在技术方法方面，研究人员采用GPS-X和Capdetworks软件模拟污水处理厂的物料平衡与能耗；采用QSDsan开源工具实现CANDO序批式反应器（SBR）的建模；采用ASPEN Plus软件模拟空气分离、氨氧化和苯氧化单元；生命周期评价采用GREET模型获取背景生命周期清单数据；环境影响评价聚焦全球变暖潜势、累积能源需求和水消耗三类指标；技术经济分析基于设备资本成本、运营成本（原料、公用工程、运维）及产品收益进行20年现金流分析，计算内部收益率。不确定性分析采用蒙特卡罗模拟（1000次）和情景分析方法。

研究结果部分，技术经济分析结果显示：空气分离过程是设备成本的最大贡献者，其中压缩机占空气分离装置成本的50%；硝化反应器因停留时间长、体积大而成本显著。"其他成本"（管道仪表及合同费用）是总资本成本的最大组成部分。从基准N₂O回收到最大N₂O回收情景，设备规模扩大使资本成本增加2%至6%。原料成本占运营成本的28%至60%，苯酚氧化步骤的苯消耗是主要驱动因素。运营首年，产品销售收益低于运营成本；至第20年，仅50 MGD最大N₂O回收配置及100 MGD两种配置实现销售高于运营成本。100 MGD规模最大N₂O回收的CAS和A2O配置是唯一具有正内部收益率的基准情景。产品收益与原料成本之比、装置规模及配置是影响盈利能力的关键因素。氨和苯酚市场价格波动可达基准值的180%，内部收益率由此变化幅度可达20%。电价对内部收益率影响甚微。

生命周期评价结果显示：N₂O-苯酚路线生产苯酚、N₂气体和邻苯二酚三种产品。系统层面质量分配下的累积能源需求和全球变暖潜势结果均低于市场价值分配，这是因为总产出质量是总市场价值的1.4倍。仅在系统层面质量分配下，N₂O-苯酚路线的累积能源需求和全球 warming 潜势表现优于传统苯酚生产。工艺层面分配下，因N₂在氨氧化和苯氧化前已离开系统，不承担后续工艺排放，质量分配结果高于系统层面；而市场价值分配下则呈现较低环境影响。各情景下N₂O-苯酚路线水消耗均更高，主要源于氨氧化和苯氧化步骤的高水耗。氨来源影响方面，蓝氨或绿氨替代灰氨可使全球 warming 潜势降低10%至21%；但绿氨因电解水制氢而增加约6%的水消耗。最大N₂O回收情景下，累积能源需求中位数增加3%至11%，系统层面全球变暖潜势中位数降低1%至6%，但水消耗增加6%至15%。

环境负担贡献分析表明：累积能源需求主要驱动因素为苯生产（约61%）和热需求（约21%，可由沼气满足）；全球变暖潜势最大贡献者为N₂O排放（28%至32%，源于部分亚硝化副产物），苯生产贡献26%至30%，灰氨生产贡献约14%（绿氨低于1%）；水消耗主要由工艺水驱动（69%至73%），其中约96%为补充冷却水。

污水处理厂层面分析显示：添加该技术可使累积能源需求增加高达8倍，全球变暖潜势增加超过2倍，水消耗增加近5倍。CAS配置下出水N₂O排放降低，A2O配置下能耗降低（因达到目标氮出水需更少曝气），厌氧消化器CH₄排放略降（因沼气用于苯酚生产供热而非火炬燃烧）。但硝化反应器N₂O排放增加109%至120%。100 MGD CAS厂综合苯酚生产年排放52至68百万吨CO₂当量，而分别处理废水和生产等量苯酚为35至41百万吨。通过工艺优化、碳捕集、N₂O催化分解（可达99%去除率）及绿氨替代等措施，可将排放降至35至38百万吨，但需额外成本。

讨论部分，研究人员指出该技术仅在大型污水处理厂（至少100 MGD）显示盈利可能。美国逾15,000座污水处理厂中仅75座达此规模，若全部采用该技术可约占美国苯酚产能的24%。伊利诺伊州和路易斯安那州等大型污水处理厂与苯酚厂共存，具备发展综合废水-化工系统的区位优势。研究提出工业生态框架下的新思路：将CANDO技术与己二酸生产耦合，利用己二酸生产排放的N₂O补充苯酚生产的N₂O需求，实现跨行业N₂O循环利用。此外，鉴于苯酚边际利润有限，研究建议探索更高附加值产品线，如N₂O氧化丙烷制环氧丙烷（利润差约为苯酚的4倍）。

研究结论指出：N₂O-苯酚路线在成为可持续的废水氮回收与高值化学品生产途径方面仍面临障碍。尽管特定联产物分配方法下其能源和排放竞争力可与传统苯酚生产相当，但水消耗在所有分配方法下均显著更高；且实施该路线会增加污水处理厂的能量、排放和水消耗负担。然而，该研究揭示了多种利用回收氮的路径，强调了生命周期评价和技术经济分析在指导污水处理厂与化工生产集成、N₂O回收可行路径中的关键作用。该技术可能仅对大型污水处理厂具有经济可行性，且受工艺效率和市场条件强烈影响。将技术集成入现有基础设施或转向更高价值化学品目标，可改善利用废水中N₂O的经济可行性。尽管存在挑战，该研究进展有望加速污水处理厂向废水资源回收设施的转型，为评估污水处理厂氮回收生产化学品提供框架，并支持循环氮经济的发展。