《Sustainable Materials and Technologies》：Life cycle assessment of a prospective implementation of ammonia stripping-scrubbing technology for urban wastewater
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摘要污水处理厂（WWTPs）中的养分回收旨在减少污染物排放并为农业生产化肥。然而，这也可能带来环境影响，需要通过生命周期评估（LCA）进行分析。这项前瞻性 LCA 评估了在比利时鲁汶和安特卫普由 Aquafin 运营的两座具有不同特征的污水处理厂中，用于氮回收的试点氨汽提 -
摘要
污水处理厂（WWTPs）中的养分回收旨在减少污染物排放并为农业生产化肥。然而，这也可能带来环境影响，需要通过生命周期评估（LCA）进行分析。这项前瞻性 LCA 评估了在比利时鲁汶和安特卫普由 Aquafin 运营的两座具有不同特征的污水处理厂中，用于氮回收的试点氨汽提 - 洗涤（SS）技术的潜在环境影响，该技术生产硫酸铵（AS）。LCA 比较了集成的 SS-WWTP 系统与传统 WWTP 及 AS 生产情景。鲁汶污水处理厂使用 SHARON（高氨氮经亚硝酸盐去除单反应器系统）单元进行氮去除，因此 SS 技术取代了该单元。使用环境足迹（EF 3.1）方法，评估了生产 1 公斤以 AS 形式存在的氮以及相应数量的处理城市污水和外部污泥的影响，这些数量在两座工厂之间有所不同。SS 工艺的主要环境影响是使用硫酸和氢氧化钠。总体而言，与参考情景相比，两座 WWTP 中的组合 WWTP-SS 系统都表现出优越的环境绩效。在鲁汶，实施 SS 技术使气候变化影响减少了近三分之一，主要是通过防止 SHARON 单元排放氧化亚氮（N2O）。然而，这些优势取决于回收的化肥是否被有效利用以取代传统硫酸铵。
引言
氮是植物生长和食品生产的基本营养素。然而，制造传统氮肥，主要通过哈伯 - 博施法，能耗极高且依赖化石燃料。2018 年，氮肥供应链造成了约 1.13 GtCO? 当量的排放，占全球温室气体（GHG）总排放量的 2.1% [11]。除了气候影响外，氮生产和处置的线性模型也会导致资源枯竭和环境退化。作为回应，养分回收（NR）技术作为支持循环经济原则的有前景的选择而受到关注，旨在将污水从废物问题转变为宝贵的资源。
污水处理日益被视为通过水回用、能源回收和养分增值来推进循环经济战略的关键部门。污水处理厂（WWTPs）含有大量可回收的氮，可以通过养分回收技术进行增值用于农业 [2]。目前大多数 WWTPs 的设计是为了去除养分而不是回收，传统的氮去除方法会产生氧化亚氮（N?O），这是一种 GHG [3]。生命周期评估（LCA）在理解 NR 实施如何与传统化肥生产技术相比改善环境成果方面发挥着至关重要的作用 [1], [10]。
最近的文献综述 [2], [9] 发现养分回收通常提供环境效益，特别是当它减少化学投入并取代合成化肥时。引用的效益包括减少 GHG 排放和降低富营养化潜力。这两项研究强调，最佳系统性能需要平衡环境影响、资源回收效率和经济可行性。此外，LCA 研究 [3], [7], [8], [10] 以及全面的基准分析 [17] 强调了 NR 技术（如氨汽提 - 洗涤（SS）、离子交换 - 吸附和热化学硫酸钠工艺）在废水处理中关闭养分循环以减少环境影响的日益增长的潜力。尽管有这些令人鼓舞的发现，但权衡仍然存在。增加的电力需求、化学消耗和基础设施要求可能会抵消环境收益。因此，集成系统建模对于在 WWTP 的更广泛背景下准确捕捉 NR 技术的净可持续性绩效至关重要。
氨汽提 - 洗涤（SS）是 NR 选项中一种成熟且可扩展的方法，它可以回收氮作为氨基化肥。SS 是一个将氨从液相转移到气相（汽提）随后在酸性溶液中捕获它（洗涤）的过程，通常生产硫酸铵或类似的化肥产品 [7]。LCA 研究已将传统方法（如旁路氮去除（SHARON-Anammox））与集成氮回收系统（如 AECO-NAR）[18] 进行比较。这些研究表明，替代系统可以通过防止生产氨基化肥来降低环境影响，后者对气候变化有很大贡献 [18]。类似地，关于美国化肥生产氨回收的研究表明，从污水中提取氮与传统哈伯 - 博施生产相比可以减少温室气体排放 [7]。
然而，SS 的环境绩效高度依赖于情境。关键影响因素包括区域电力组合、工艺热需求、用于 pH 调节和洗涤的化学投入以及氨回收效率。高能耗操作和试剂消耗经常被确定为环境热点 [13], [14]。此外，大多数现有研究在 WWTP 或旁路水平评估 SS，而没有完全考虑 WWTP 内的上游和下游相互作用。这种碎片化的系统边界限制了对潜在协同效应（例如，跨处理阶段的负担转移）的理解。
本文的目标是对一个包含污水处理厂工艺和氨汽提 - 洗涤技术的前瞻性系统进行环境 LCA。SS 工艺目前处于试点规模，但基于模拟数据和专家估计被建模为全 WWTP 规模。考虑了两座具有不同特征的 WWTPs：一座位于鲁汶，具有高进水氮浓度和氮去除单元（SHARON，高氨氮经亚硝酸盐去除单反应器系统）；另一座位于安特卫普，试点工厂在此建造和运营。两座 WWTPs 均由比利时佛兰德斯的 Aquafin 管理。
章节片段
材料与方法
LCA 遵循 ISO 14040 LCA 框架 [6]。以下章节展示了目标与范围定义（2.1）和生命周期清单分析（LCI）（2.2）。
结果与讨论
选择的类别基于最高的标准化影响，包括酸化、气候变化、海洋富营养化、淡水富营养化、矿物和金属资源使用以及化石资源使用。下文将详细讨论这些。所有十六个类别的结果在补充材料中提供。
结论
本文展示了一个前瞻性系统的环境 LCA，该系统在位于比利时安特卫普和鲁汶的两座污水处理厂中集成了氮回收技术，即氨汽提 - 洗涤。集成的 WWTP-SS 系统在六个类别中的五个（酸化、气候变化、海洋富营养化、化石资源使用以及矿物和金属资源使用）显示出比参考情景（传统 WWTP 和 AS 生产）更低的环境影响，只有
CRediT 作者贡献声明
Ana Cordeiro: 写作 – 原稿，方法论，概念化。 Jade Müller-Carneiro: 写作 – 审查与编辑，监督，概念化。 Bart Saerens: 写作 – 审查与编辑，调查。 Lennert Dockx: 调查。 Fausto Freire: 写作 – 审查与编辑，监督，概念化。
写作过程中生成式 AI 和 AI 辅助技术声明
在本工作准备期间，作者使用了 ChatGPT 以改善语言和可读性。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。
竞争利益声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报道的工作。
致谢
作者感谢 WalNUT 项目、欧盟地平线 2020 R&I 计划（资助协议号 No 101000752）的资助。作者感谢所有合作伙伴在本项目中的合作。
Ana Cordeiro|Jade Müller-Carneiro|Bart Saerens|Lennert Dockx|Fausto Freire
科英布拉大学，ADAI，机械工程系，葡萄牙科英布拉
