《ACS Sustainable Resource Management》：Circular Economy for Phosphorus from Human Urine to Food Systems Can Generate Potential Water, Climate, and Eutrophication Benefits
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本文通过前瞻性生命周期评估(LCA)，系统量化了用人尿源磷肥替代传统开采磷肥生产牛肉饼和植物基肉饼的环境影响。研究揭示了磷(P)的循环利用在降低全球变暖、水体富营养化和水资源消耗方面的显著潜力，为可持续农业和资源管理提供了新视角。
引言
磷(P)肥对于植物生长和粮食生产不可或缺，但其当前的社会流动遵循线性经济模式：从磷矿开采、加工成肥料、农业施用、作物收获，再到动物饲料和人类消费。这种模式在每个阶段都存在磷的耗散性损失，例如采矿废料、农业径流、食物浪费和人类排泄物。线性经济模式导致人类驱动的全球磷循环改变，使环境中的磷水平达到自然水平的四倍，进而引发富营养化，危害水生生态系统并造成经济损失。相比之下，磷的循环经济旨在通过供应链中的再利用和回收来闭合物质循环，以减少线性经济相关的有害环境影响。实现磷循环经济的一项有前景的技术是尿液源分离，它捕获人类排泄物中的磷，并将其作为磷肥回收利用到农业中。
方法
本研究评估了四种肉饼替代品的环境影响：使用尿源磷肥的植物基肉饼、使用传统磷肥的植物基肉饼、使用尿源磷肥的牛肉饼以及使用传统磷肥的牛肉饼。系统边界如所示。比较的功能单位是1公斤未烹饪、已包装的肉饼。尿源磷肥的生产基于从人尿中回收高纯度三磷酸钙(Ca3(PO4)2)的工艺。为避免尿素水解和矿物结垢，在尿液输送和储存过程中使用了乙酸等化学品。研究采用了前瞻性生命周期评估(LCA)框架，并使用谱系矩阵方法和蒙特卡洛(MC)模拟来量化生命周期清单(LCI)数据的不确定性及其对量化环境影响的传播。
结果与讨论
1. 尿源分离对肉饼生产的环境影响
用尿源磷肥替代传统磷肥，降低了牛肉饼和植物基肉饼生产在所有环境影响类别上的负担。这种影响在牛肉饼生产中更为显著，因为其磷肥需求量大约是生产相同质量植物基肉饼的八倍，苜蓿干草、草干草和酒糟是其磷密集型的主要投入。牛肉饼生产需要更多磷肥，因此在使用尿源磷肥时需要分流更多尿液，从而通过抵消用水、饮用水和废水处理以及传统磷肥生产，产生了更大的环境效益。然而，使用更多磷肥本身不应被理解为环境效益，这一点在中得到强调，该图显示植物基肉饼在11个影响类别中的7个上具有更低的环境影响。相反，需要更多磷肥的食物系统可以通过从传统磷肥转向尿源磷肥来实现环境效益。
对于牛肉饼生产，实施尿源磷肥后，致癌物影响类别降幅最大，达67%。这主要归因于避免了赤泥处置过程，赤泥是铝土矿消化（生产氢氧化铝，进而生产硫酸铝的关键步骤）的副产品。使用钙从分流的人尿中沉淀磷，减少了污水处理厂的磷负荷和混凝剂（硫酸铝）投加量，从而降低了致癌影响。臭氧层消耗减少53%，主要驱动力是水和废水处理中化学品使用的抵消。
2. 牛肉饼生产中磷依赖型投入是环境效益的关键驱动因素
在牛肉饼生产中，用尿源磷肥替代传统磷肥所减少的环境影响幅度，与生产饲料物品所需的磷量成正比。因此，草干草、苜蓿干草和玉米饲料等较高磷肥需求的投入，比较地牧草和干酒糟产生了更大的环境影响减少。结果还凸显了在具有高磷需求的农作物中使用尿源磷肥以最大化环境效益的潜在机会。
水节约的主要驱动力是抵消了冲厕用水。生产1公斤牛肉饼约需要60升分流尿液。由于没有水被送入厕所，每生产1公斤牛肉饼可节约约1300升水。牧草显示出负的水消耗，这是因为减少冲厕所避免的水量超过了用于维持牧草的供水系统水量（雨水维持，供水系统用水为零）。
全球变暖影响的减少是由于避免了废水处理（来自人尿分流厕所无需冲水）以及避免了用于处理不含磷的尿液的废水处理中的铝盐投加。本研究中建模的污水处理厂考虑了甲烷和一氧化二氮排放以及沼气燃烧的排放。减少送至污水处理厂的水量从而减少了温室气体排放，降低了该过程的全球变暖影响。
3. 从传统磷肥转向尿源磷肥对植物基肉饼产生的环境效益低于牛肉饼
用尿源磷肥替代传统磷肥对植物基肉饼产生的环境效益减少幅度小于牛肉饼，这是因为植物基肉饼生产投入的磷需求量低于牛肉饼。大豆、马铃薯蛋白、小麦面筋粉、玉米粒和椰子油的磷需求量显著低于牛肉饼。如所示，马铃薯蛋白和小麦面筋粉显示出负的水消耗，因为减少冲厕所避免的水消耗超过了种植这些作物的用水。鉴于植物基肉饼生产的磷需求较低，用尿源磷肥替代传统磷肥对富营养化和全球变暖的影响较小。
4. 不确定性评估与敏感性分析
蒙特卡洛模拟结果显示，尽管存在生命周期清单数据不确定性，植物基肉饼在全球变暖、富营养化和水消耗影响方面始终优于牛肉饼。在分别仅考虑牛肉饼或植物基肉饼的成对比较中，在牛肉饼中使用尿源磷肥产生的环境效益结论比在植物基肉饼中更为明确。对于牛肉饼，在77%的模拟运行中，使用尿源磷肥产生了更低的全球变暖影响，这明确证明了尽管数据存在不确定性，使用尿源磷肥仍具有气候效益。然而，对于植物基肉饼，使用尿源磷肥的气候效益不如牛肉饼明确，这归因于植物基肉饼磷肥需求减少和生命周期清单数据集的基础不确定性共同作用。
敏感性分析确定了驱动四种替代品三种环境影响的最主要输入项。如所示，多个磷依赖性输入项的存在表明，通过在这些输入项中用尿源磷肥替代传统磷肥，有显著空间进一步减少植物基和牛肉饼的环境影响。对于使用尿源磷肥的替代方案，可以通过减少尿源磷肥生产的环境负担来进一步降低影响。乙酸是生产尿源磷肥时三个影响类别的关键驱动因素，它用于抑制尿液输送和储存过程中的尿素水解和后续矿物结垢。为减少尿源磷肥的总体环境足迹，应探索可替代的化学品。
5. 研究的局限性与未来方向
本研究未考虑分销、使用和报废阶段，并假设运输的环境影响相对较低。分析未计入资本投资，且用于建模植物基肉饼的生命周期清单数据来自2016年的试点工厂。此外，研究基于1公斤未烹饪肉饼的功能单位量化磷需求，而磷提取的能耗和物料清单数据来自代表实验室规模的二次文献。未来研究需评估城市尺度的尿液源分离资本环境影响、尿液衍生肥料产品从建筑和城市到农业区的收集和运输、集中式与分散式设施的权衡、规模经济效益、牛肉加工厂废水甲烷的增值利用、基于磷循环的区域敏感性富营养化影响，以及美国电网结构脱碳带来的影响。此外，分析假设从尿液沉淀过程形成的主要产品三磷酸钙纯度为100%，且未考虑动物饲料中的磷被牛消耗并转化为牛粪直接施用于农田等其他磷循环经济流动。
结论
本研究通过将尿液源磷肥应用于农业食物系统和消费者食品，为可持续磷管理和推进磷循环经济的持续对话提供了新见解。研究证明，从人尿中回收磷并将其作为肥料应用于牛肉饼和植物基肉饼生产，在生命周期基础上，跨TRACI的10个环境影响类别提供了环境效益，并减少了水消耗。考虑到输入数据中的现实不确定性，确定在牛肉饼生产中使用尿源磷肥很可能由于其较高的磷肥需求而减少全球变暖、富营养化和水消耗的影响。尿源磷肥应用于植物基肉饼主要有利于节约用水。在食物系统层面，需要较高磷肥投入的消费者食品可以通过转向需要较低磷肥投入的食品来减少其环境影响。对于同一种食品，从传统磷肥转向尿源磷肥可以根据所需的磷肥量产生潜在的环境效益。
