氮肥在全球作物生产中发挥着重要作用。约一半的人口依靠施肥种植的粮食来生存。尽管地球大气层包含约 78% 的氮，但它并非植物可利用的活性形式。直到 1908 年，化学家们才开发出一种将大气中的氮转化为植物可利用的合成氮状态的技术。
这项技术被称为哈伯-博施法，就是通过这种方法从空气中捕获氮并与氢反应生成氨，氨是一种植物可以从土壤中吸收的高效肥料。该工艺是当今工业生产氨的标准流程，但却占全球二氧化碳排放量的约 1.4%。
“氨中的氢源自天然气等化石燃料，氮源自空气，”阿贡国家实验室的博士后研究员 Saurajyoti Kar 说道。“使用化石燃料作为原材料和能源进行转化过程，增加了使用[该]传统生产工艺生产富氮肥料的能源和环境成本。”
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预计到 2026 年，全球氨市场将达到824 亿美元。鉴于哈伯-博施法的高能耗，生产商必须采取更绿色的方法来满足日益增长的肥料需求。在一项最近发表在《环境科学与技术总汇》上的研究中，研究人员评估了从废水中去除氨并将其转化为肥料的过程，这可能是一种更可持续的替代方案。
Kar 介绍说，市政废水通常含有高浓度的氮和磷。他补充说，在污水处理厂，废水需要经过处理以降低这种浓度，从而避免在排放到地表水体时出现诸如富营养化（可能导致藻类过度生长）之类的问题。
通过从废水中捕获氮，生产商可以避免高耗能的氨生产。此外，它还重用了大气中已固定的氮。“从废水中捕获氮的方法之一是通过气提法，”Kar 说。“在一定的工艺温度下，废水流中的过量氨会从液相转移到气相，然后可以与酸反应生成稳定的富氮肥料。”
作者进行了一项生命周期分析，发现通过气提法从污水处理厂提取氨来制造富氮肥料，与哈伯-博施法相比，温室气体排放量减少了六倍。气提技术每生产一公斤硫酸铵，产生的二氧化碳当量在 0.2 至 0.5 公斤之间，远低于哈伯-博施法每公斤硫酸铵产生的 2.5 公斤二氧化碳当量。如果使用可再生能源进行气提过程，排放量可能会进一步降低。
Kar 表示：“使用基于气提法的氮肥可以减少农业的温室气体排放负担，并为农业的脱碳目标做出贡献。” 2020 年，农业占该国温室气体排放量的11%，其中包括施肥。
除了环境效益，污水处理厂也可能带来经济上的好处。Kar 说，如果他们建立了气提系统的基础设施，其资本成本和运营成本可以通过回收氨产生的收入来弥补。
总的来说，该研究表明，存在比高耗能氮生产过程更可持续的替代方案。尽管气提法生产肥料的规模可能小于标准的哈伯-博施法，但回收和再利用任何数量的氮仍然有助于最大限度地减少温室气体排放，并防止污染物进入水源。
