Пик фосфора - Peak phosphorus

График, показывающий мир фосфоритная руда производство, 1900–2016 гг., по данным Геологическая служба США[1]

Пик фосфора это концепция, описывающая момент времени, когда человечество достигает максимальной глобальной производительности фосфор как промышленный и коммерческий сырье. Этот термин используется аналогично более известному термину пик добычи нефти.[2] Этот вопрос был поднят как дискуссия о том, был ли «пик фосфора» неизбежен примерно в 2010 году, но был в значительной степени отклонен после USGS и другие организации увеличили мировые оценки имеющихся ресурсов фосфора.[3]

Фосфор - конечный (ограниченный) ресурс, широко распространенный в земной коре и в живых организмах, но относительно дефицитный в концентрированных формах, которые неравномерно распределены по Земле. На сегодняшний день единственным рентабельным методом производства является добыча полезных ископаемых из фосфоритная руда, но лишь несколько стран имеют его значительные резервы. Четверка лучших Марокко, Китай, Алжир и Сирия. Оценки будущей добычи значительно различаются в зависимости от моделирования и предположений об извлекаемых объемах, но неизбежно, что в обозримом будущем будущее производство фосфоритов будет в значительной степени зависеть от Марокко.[4]

Средств промышленного производства фосфора, помимо добычи, мало, потому что цикл фосфора не включает значительный газофазный перенос.[5] Преобладающим источником фосфора в наше время является фосфоритная руда (в отличие от гуано, которое ему предшествовало). По мнению некоторых исследователей, коммерческие и доступные запасы фосфора Земли, как ожидается, будут исчерпаны через 50–100 лет, а пик фосфора будет достигнут примерно в 2030 году.[2][6] Другие предполагают, что запасов хватит на несколько сотен лет.[7] Как и в случае с время пика нефти, вопрос не решен, и исследователи в разных областях регулярно публикуют разные оценки запасов фосфоритов.[8]

Фон

Фосфоритная руда, добытая в США, 1900-2015 гг. (Данные Геологической службы США)

Концепция пикового фосфора связана с концепцией планетарные границы. Фосфор, в составе биогеохимический процессов, принадлежит к одному из девяти «процессов системы Земля», которые, как известно, имеют границы. Пока границы не пересекаются, они обозначают «безопасную зону» для планеты.[9]

Оценка мировых запасов фосфатов

Распределение промышленных запасов фосфоритов в мире в 2016 г.[10]

Точное определение пика фосфор зависит от знания всего мирового коммерческого фосфат запасы и ресурсы, особенно в виде фосфоритная руда (обобщающий термин для более 300 руд различного происхождения, состава и содержания фосфатов). «Запасы» относятся к предполагаемой извлекаемой сумме по текущим рыночным ценам, а «ресурсы» относятся к оценочным объемам такого содержания или качества, при которых они имеют разумные перспективы для рентабельной добычи.[11][12]

Необработанный фосфорит имеет концентрацию фосфора 1,7-8,7% по массе (4-20% пятиокись фосфора ). Для сравнения: земная кора содержит 0,1% фосфора по массе,[13] и растительность от 0,03% до 0,2%.[14] Хотя в земной коре существуют квадриллионы тонн фосфора,[15] в настоящее время они экономически не извлекаются.

В 2017 г. Геологическая служба США (USGS) оценивает экономически извлекаемые запасы фосфоритов во всем мире в 68 миллиардов тонн, в то время как мировая добыча полезных ископаемых в 2016 году составила 261 миллион тонн.[16] При нулевом росте запасов хватит на 260 лет. Это в целом подтверждает, что 2010 г. Международный центр разработки удобрений (IFDC) сообщают, что мировых запасов хватит на несколько сотен лет.[7][17] Данные о запасах фосфора являются предметом интенсивных дискуссий.[11][18][19] Гилберт полагает, что внешней проверки оценки было мало.[20] Обзор 2014 г.[8] пришел к выводу, что отчет IFDC «представляет собой завышенную картину мировых запасов, в частности, в Марокко, где в основном гипотетические и предполагаемые ресурсы были просто переименованы в« резервы ».

Страны с наибольшими коммерческими запасами фосфоритов (в миллиардах метрических тонн): Марокко 50, Китай 3.1, Алжир 2.2, Сирия 1.8, Финляндия 1.6, Южная Африка 1.5, Россия 1.3, Иордания 1.2, Египет 1.2, Австралия 1.1, Соединенные Штаты 1.1.[21][16]

Дефицит каменного фосфата (или просто значительный рост цен) может негативно повлиять на мир Продовольственная безопасность.[22] Многие сельскохозяйственные системы зависят от поставок неорганических удобрений, в которых используется фосфат. В условиях режима производства продуктов питания в развитых странах нехватка каменного фосфата может привести к нехватке неорганических удобрений, что, в свою очередь, может снизить мировое производство продуктов питания.[23]

Экономисты указали, что колебания цен на фосфат не обязательно указывают на пик фосфора, поскольку они уже произошли из-за различных факторов спроса и предложения.[24]

Соединенные Штаты

Дальнейшая информация: Добыча фосфатов в США

Производство фосфоритов в США достигло пика в 1980 году и составило 54,4 миллиона метрических тонн. Соединенные Штаты были крупнейшим производителем фосфоритной руды в мире по крайней мере с 1900 года до 2006 года, когда производство в США было превышено на Китай. В 2015 году в США было произведено 12 процентов мировых запасов фосфоритов.[нужна цитата ]

Истощение запасов гуано

Основная статья: Гуано

В 1609 г. Гарсиласо де ла Вега написал книгу «Comentarios Reales», в которой описал многие методы ведения сельского хозяйства инков до прихода испанцев и представил использование гуано в качестве удобрения. Как описал Гарсиласо, инки у побережья собирали гуано.[25] В начале 1800-х гг. Александр фон Гумбольдт представил гуано как источник сельскохозяйственный удобрение в Европу, обнаружив его на островах у побережья Южная Америка. Сообщалось, что на момент открытия гуано на некоторых островах закончилось. 30 метров глубокий.[26] Гуано ранее использовалось Моче людей в качестве источника удобрений, добывая их и транспортируя обратно в Перу на лодке. Международная торговля гуано началась после 1840 года.[26] К началу 20-го века гуано было почти полностью истощено, и в конечном итоге его настигло открытие методов производства суперфосфат.

Консервация и переработка фосфора

Фосфатный рудник на Науру, когда-то один из основных мировых источников фосфоритов.

Обзор

Фосфор может переноситься из почвы в одном месте в другое, когда пища транспортируется по всему миру, забирая с собой фосфор, который она содержит. После употребления людьми он может попасть в местную среду (в случае открытая дефекация который все еще широко распространен в глобальном масштабе) или в реках или в океане через канализационные системы и очистные сооружения в случае городов, подключенных к канализационным системам. Примером одной культуры, потребляющей большое количество фосфора, является соя.

Чтобы отсрочить наступление пика фосфора, на практике существует несколько методов уменьшения и повторного использования фосфора, например, в сельском хозяйстве и в сельском хозяйстве. санитария системы. В Почвенная ассоциация, британская группа по сертификации и оказанию давления на органическое сельское хозяйство, в 2010 году выпустила отчет «Рок и твердое место», призывающий к увеличению вторичной переработки фосфора.[27] Одно из возможных решений нехватки фосфора - это более активная переработка отходов жизнедеятельности человека и животных в окружающую среду.[28]

Сельскохозяйственные практики

Сокращение сельскохозяйственных стоков и эрозии почвы может снизить частоту, с которой фермерам приходится повторно вносить фосфор на свои поля. Сельскохозяйственные методы, такие как беспахотное земледелие, террасирование, контурная обработка почвы и использование ветрозащитные полосы было показано, что они снижают скорость истощения фосфора на сельскохозяйственных угодьях. Эти методы все еще зависят от периодического внесения фосфоритов в почву, и в качестве таких методов также были предложены способы утилизации потерянного фосфора. Многолетняя растительность, такая как луга или лес, намного эффективнее использует фосфат, чем пахотные земли. Полосы пастбищ и / или леса между пахотными землями и реками могут значительно снизить потери фосфатов и других питательных веществ.[29]

Интегрированные системы земледелия, которые используют животные источники для обеспечения фосфором сельскохозяйственных культур, существуют в меньших масштабах, и применение системы в более крупных масштабах является потенциальной альтернативой для доставки питательных веществ, хотя это потребует значительных изменений в широко применяемых современных методах удобрения сельскохозяйственных культур. .

Повторное использование экскрементов

Основная статья: Повторное использование экскрементов

Самый старый метод утилизации фосфора - повторное использование животных навоз и человек экскременты в сельском хозяйстве. С помощью этого метода фосфор из потребляемых пищевых продуктов выводится из организма, а экскременты животных или человека впоследствии собираются и повторно обрабатываются на полях. Хотя этот метод поддерживал цивилизации на протяжении веков, нынешняя система управления навозом не ориентирована с точки зрения логистики на крупномасштабное внесение на поля сельскохозяйственных культур. В настоящее время внесение навоза не может удовлетворить потребности крупного сельского хозяйства в фосфоре. Несмотря на это, это все еще эффективный метод переработки использованного фосфора и его возврата в почву.

Осадок сточных вод

Станции очистки сточных вод, имеющие усиленное биологическое удаление фосфора шаг произвести осадок сточных вод богатый фосфором. Были разработаны различные способы извлечения фосфора непосредственно из осадка сточных вод, а затем из золы. сжигание осадка сточных вод или других продуктов обработка осадка сточных вод. Это включает извлечение материалов, богатых фосфором, таких как струвит с мусороперерабатывающих заводов.[20] Струвит можно получить, добавив в отходы магний. Некоторые компании, такие как Ostara в Канаде и NuReSys в Бельгии, уже используют этот метод для извлечения фосфатов. Ostara имеет восемь действующих заводов по всему миру.[нужна цитата ]

Исследования методов извлечения фосфора из осадка сточных вод проводились в Швеции и Германии примерно с 2003 года, но технологии, которые в настоящее время разрабатываются, еще не являются рентабельными, учитывая текущую цену на фосфор на мировом рынке.[30][31]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Статистика и информация о фосфатных породах». USGS. Получено 12 апреля 2018.
  2. ^ а б Корделл, Дана; Дрангерт, Ян-Олоф; Белый, Стюарт (2009). «История фосфора: глобальная продовольственная безопасность и пища для размышлений». Глобальное изменение окружающей среды. 19 (2): 292–305. Дои:10.1016 / j.gloenvcha.2008.10.009. ISSN  0959-3780.
  3. ^ Edixhoven, J.D .; Gupta, J .; Savenije, H.H.G. (2013). «Недавние пересмотры запасов и ресурсов фосфоритов: обнадеживающие или вводящие в заблуждение? Углубленный обзор литературы по глобальным оценкам запасов и ресурсов фосфоритов». Динамика системы Земли. 5 (2): 491–507. Bibcode:2014ESD ..... 5..491E. Дои:10.5194 / esd-5-491-2014.
  4. ^ Walan, P .; Davidsson, S .; Johansson, S .; Хёк, М. (2014). «Производство и истощение фосфоритных руд: моделирование с разбивкой по регионам и глобальные последствия». Ресурсы, сохранение и переработка. 93 (12): 178–187. Дои:10.1016 / j.resconrec.2014.10.011. Получено 9 октября 2017.
  5. ^ Neset, Tina-Simone S .; Корделл, Дана (2011). «Глобальный дефицит фосфора: определение синергии для устойчивого будущего». Журнал продовольственной науки и сельского хозяйства. 92 (1): 2–6. Дои:10.1002 / jsfa.4650. PMID  21969145.
  6. ^ Льюис, Лео (23 июня 2008 г.). «Ученые предупреждают о нехватке жизненно необходимого фосфора, поскольку биотопливо повышает спрос» (PDF). Times Online. Архивировано из оригинал (PDF) 23 июля 2011 г.
  7. ^ а б «Отчет IFDC указывает на наличие достаточных ресурсов фосфора для удовлетворения мирового спроса на продукты питания». 22 сентября 2010 г.
  8. ^ а б Edixhoven, J.D .; Gupta, J .; Савениже, Х. Х. Г. (2014). «Недавние пересмотры запасов и ресурсов фосфоритов: критика» (PDF). Динамика системы Земли. 5 (2): 491–507. Bibcode:2014ESD ..... 5..491E. Дои:10.5194 / esd-5-491-2014. ISSN  2190-4987.
  9. ^ Rockström, J .; Steffen, K .; и другие. (2009). «Планетарные границы: исследование безопасного рабочего пространства для человечества» (PDF). Экология и общество. 14 (2): 32. Дои:10.5751 / ES-03180-140232.
  10. ^ Арно Розмарин (2016) Фосфор - ограниченный ресурс - замкнутый круг, Конференция Global Status of Phosphorus, Мальмё, Швеция (на основе Статистика и информация о фосфоритах USGS )
  11. ^ а б Sutton, M.A .; Bleeker, A .; Howard, C.M .; и другие. (2013). Наш мир питательных веществ: задача производить больше продуктов питания и энергии при меньшем загрязнении (PDF). Центр экологии и гидрологии, Эдинбург, от имени Глобального партнерства по управлению питательными веществами и Международной инициативы по азоту. ISBN  978-1-906698-40-9. Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-11-04. Получено 2015-05-12.
  12. ^ СТАНДАРТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ CIM - для минеральных ресурсов и минеральных запасов (PDF). Постоянный комитет CIM по определениям резервов. 2010. С. 4–6. Архивировано из оригинал (PDF) 14 февраля 2019 г.
  13. ^ Геологическая служба США Образцы фосфорной почвы
  14. ^ Изобилие элементов
  15. ^ Американский геофизический союз, осеннее собрание 2007 г., аннотация № V33A-1161. Масса и состав континентальной коры
  16. ^ а б Ясинский, С.М. (январь 2017 г.). Обзоры минерального сырья (PDF). Геологическая служба США.
  17. ^ Ван Каувенберг, Стивен Дж. (2010). Мировые запасы и ресурсы фосфатных пород. Muscle Shoals, Алабама, США: Международный центр разработки удобрений (IFDC). п. 60. ISBN  978-0-88090-167-3. Получено 7 апреля 2016.
  18. ^ Корделл, Дана и Стюарт Уайт, 2011. Обзор: Пик фосфора: прояснение ключевых вопросов активной дискуссии о долгосрочной безопасности фосфора. Устойчивое развитие 2011, 3 (10), 2027-2049; DOI: 10.3390 / su3102027, http://www.mdpi.com/2071-1050/3/10/2027/htm
  19. ^ Van Vuuren, D.P .; Bouwman, A.F .; Бойзен, A.H.W. (2010). «Спрос на фосфор в период 1970–2100 годов: сценарный анализ истощения ресурсов». Глобальное изменение окружающей среды. 20 (3): 428–439. Дои:10.1016 / j.gloenvcha.2010.04.004. ISSN  0959-3780.
  20. ^ а б Гилберт, Наташа (8 октября 2009 г.). «Исчезающее питательное вещество». Природа. 461 (7265): 716–718. Дои:10.1038 / 461716a. PMID  19812648.
  21. ^ Ахокас, К. (2015). «Ресурсы фосфора в Финляндии важны как никогда (Геологическая служба Финляндии)».
  22. ^ Amundson, R .; Berhe, A. A .; Hopmans, J. W .; Olson, C .; Sztein, A.E .; Спаркс, Д. Л. (2015). «Почва и безопасность человека в 21 веке». Наука. 348 (6235): 1261071. Дои:10.1126 / science.1261071. ISSN  0036-8075. PMID  25954014. S2CID  206562728.
  23. ^ Поллан, Майкл (11 апреля 2006 г.). Дилемма всеядного животного: естественная история четырех приемов пищи. Penguin Press. ISBN  978-1-59420-082-3.
  24. ^ Heckenmüller, M .; Нарита, Д .; Клеппер, Г. (2014). «Глобальная доступность фосфора и его значение для глобального продовольственного снабжения: экономический обзор» (PDF). Кильский рабочий документ, № 1897. Получено 11 мая 2020.
  25. ^ Ли, Дж. Дж. (2004). Величайшее исправление в мире: история азота и сельского хозяйства. Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-516582-1.
  26. ^ а б Скэгс, Джимми М. (май 1995 г.). Великая лихорадка гуано: предприниматели и зарубежная экспансия Америки. Пресса Св. Мартина. ISBN  978-0-312-12339-0.
  27. ^ earthassociation.org - Камень и наковальня, Пик фосфора и угроза нашей продовольственной безопасности В архиве 2010-12-23 на Wayback Machine, 2010
  28. ^ Бернс, Мелинда (10 февраля 2010 г.). "История П (ее)". Миллер-МакКьюн. Архивировано из оригинал 7 января 2012 г.. Получено 2 февраля 2012.
  29. ^ Udawatta, Ranjith P .; Хендерсон, Грей S .; Джонс, Джон Р .; Хаммер, Дэвид (2011). «Потери фосфора и азота в связи с использованием лесных, пастбищных и пропашных земель, а также распределением осадков на Среднем Западе США». Журнал водных наук. 24 (3): 269–281. Дои:10.7202 / 1006477ar.
  30. ^ Сарториус, К., фон Хорн, Дж., Теттенборн, Ф. (2011). Восстановление фосфора из сточных вод - современное состояние и потенциал на будущее. Презентация конференции на конференции по восстановлению и управлению питательными веществами, организованной Международной водной ассоциацией (IWA) и Федерацией водной среды (WEF) во Флориде, США.
  31. ^ Халтман, Б., Левлин, Э., Плаза, Э., Старк, К. (2003). Извлечение фосфора из осадка в Швеции - возможности для достижения поставленных целей эффективным, устойчивым и экономичным способом.