如果农民能够有效阻止过量的磷污染附近的水体，同时以低成本回收该营养素作为缓释肥料呢？研究现在表明这不仅是可行的，而且具有成本效益。
如果农民能够有效阻止过量的磷污染附近的水体，同时以低成本回收该营养素作为缓释肥料呢？研究现在表明这不仅是可行的，而且具有成本效益。
“已经建立了磷去除结构，以捕获来自排水系统的可溶性磷。然而，当前用于磷吸附的材料要么效果不佳，要么是难以处理的工业废物。这促使我们寻找一种可持续且高效的磷去除材料，”研究作者、伊利诺伊大学香槟分校农业与生物工程系（ABE）博士生周洪旭解释道。
周和他的合作者利用了锯末和石灰污泥，这分别是铣削和饮用水处理的副产品。他们将这些材料结合在一起，制成颗粒，并在有限氧气的条件下缓慢烧制，从而产生了一种特制的生物炭，该生物炭的磷结合能力显著高于单独使用石灰污泥或生物炭。一旦这些颗粒捕获了所有可能的磷，它们就可以撒布在田地上，营养物质会逐渐释放。
利用这种设计生物炭的各种可持续好处，研究团队在伊利诺伊州富尔顿县进行了这些颗粒的首次田间测试，在两年的时间里跟踪田地中的磷去除情况。与大多数中西部玉米和大豆田一样，试验地点都有地下排水系统。排水水首先流过填充有两种不同大小的生物炭颗粒的磷去除结构。在第一年，测试了2-3厘米的生物炭颗粒，第二年则测试了1厘米的颗粒。
两种大小的颗粒都成功去除了磷，但1厘米的颗粒表现出显著更好的效果，达到了38%到41%的磷去除效率，而较大的颗粒仅为1.3%到12%。
这种结果并未让共同作者魏郑感到惊讶，他指出，更小的颗粒可以增加磷与生物炭结合的接触时间。郑是伊利诺伊可持续技术中心（ISTC）的首席研究科学家，此前已经进行的实验室研究表明，粉状设计生物炭在磷去除方面效果显著。然而，在田间使用粉状材料并不实际。
“如果我们在田间使用粉状生物炭，它会很容易被冲走，”周表示。“因此，颗粒是必要的。我们必须在效率上稍作妥协，以确保在现实条件下的性能。”
在确认颗粒在实际环境中的有效性后，研究团队进行了经济和生命周期分析，以评估农民的成本及系统的可持续性。
设计生物炭颗粒的估计生产成本为每吨413美元，远低于市场上诸如颗粒活性碳等替代品，后者的价格范围为每吨800到2500美元。团队还计算了使用该系统进行磷去除的总体成本，平均为每公斤去除359美元，这一数字会根据通货膨胀和颗粒更换频率而波动——两年被证明是最具成本效益的方法。
生命周期分析表明，该系统——涉及将使用过的生物炭颗粒重新投入田地并消除额外的磷输入——在每去除1公斤磷的情况下，可能节省12到200公斤的二氧化碳当量。根据周的说法，这些优点超越了营养损失减少和碳封存，还包括能源生产、减弱富营养化和改善土壤健康。
“目前，没有法规要求农民从排水水中提取磷。然而，许多环保意识强的农民渴望减少其田地中的硝酸盐和磷流失，”共同作者、ABE副教授拉宾·巴塔赖指出。“如果农民已经建立了木屑生物反应器来处理硝酸盐，他们只需在结构中添加这些颗粒即可同时管理磷。此外，能够在其田地中重复使用颗粒的能力也非常吸引人。”
