По словам исследователей-экологов из Университета Дрекселя, сточные воды, вытекающие из огромных бассейнов осадка сточных вод, могут сыграть роль в более устойчивом сельском хозяйстве.

Новое исследование, рассматривающее процесс удаления аммиака из сточных вод и превращения его в удобрение, предполагает, что это не только технически жизнеспособно, но также может помочь уменьшить воздействие производства удобрений на окружающую среду и энергию и может даже обеспечить поток доходов для инженерные сети и водоочистные сооружения.

Устойчивый источник азота

Производство азота для удобрений является энергоемким процессом и составляет почти 2% глобальных выбросов углекислого газа. За последние несколько лет исследователи изучили альтернативы процессу производства азота Габера-Боша, который был стандартом более века. Одной из многообещающих возможностей, недавно предложенной некоторыми поставщиками услуг водоснабжения, является выделение азота из отходов аммиака, извлеченных из воды во время очистки.

«Извлечение азота из сточных вод было бы желательной альтернативой процессу Габера-Боша, потому что он создает «циклическую экономику азота», — сказал Патрик Гуриан, доктор философии, профессор Инженерного колледжа, который помогал руководить исследованием, которое была недавно опубликована в журнале Science of the Total Environment.

«Это означает, что мы повторно используем существующий азот, а не тратим энергию и вырабатываем парниковый газ для сбора азота из атмосферы, что является более устойчивой практикой для сельского хозяйства и может стать источником дохода для коммунальных служб».

Более чистый способ очистки

В соответствии с Законом о чистой воде 1972 года муниципальные водоочистные сооружения должны соответствовать стандартам качества воды, которую они сбрасывают в водоемы. Аммиак все чаще рассматривается как проблема для водной среды, поскольку повышенный уровень аммиака может привести к разрастанию растительности в ручьях и реках, что может подвергнуть опасности виды рыб. Варианты удаления аммиака, как правило, требуют много времени и места и могут быть энергоемкими мероприятиями.

Один из вариантов, который изучается на нескольких объектах в Северной Америке и Европе, — это процесс, называемый воздушной очисткой. Он удаляет аммиак, повышая температуру и pH воды настолько, чтобы превратить химическое вещество в газ, который затем можно собрать в концентрированной форме в виде сульфата аммония.

Но принятие решения об инвестировании в переход к воздушной зачистке требует сложного исследования, называемого анализом жизненного цикла, его технологической и финансовой жизнеспособности.

Изучение варианта

Команда, возглавляемая Гурианом и Сабриной Спатари, докторами наук, из Израильского технологического института Технион, регулярно проводит эти анализы, чтобы оценить все экологические и экономические последствия различных вариантов переработки и повторного использования отходов или побочных продуктов. как устойчивые решения. Их анализ этого сценария сточных вод предполагает, что существует взаимодополняющая взаимосвязь, которая может привести к более устойчивому пути как для фермеров, так и для органов управления водными ресурсами.

«Наш анализ выявил значительный потенциал для смягчения последствий для окружающей среды и экономической выгоды от внедрения технологии дегазации на очистных сооружениях для производства сульфатно-аммиачных удобрений», — написали они.

«В дополнение к производству сульфата аммония в качестве товарного продукта преимущество снижения содержания аммиака в боковом потоке перед его повторным использованием в потоке сточных вод на очистных сооружениях дает дополнительное обоснование для внедрения отгонки воздухом».

Используя данные водоочистных сооружений в Филадельфии и нескольких других в Северной Америке и Европе, команда провела оценку жизненного цикла и экономическое обоснование. Они рассматривали различные факторы: от стоимости установки и обслуживания системы дегазации до концентрации аммиака и расхода сточных вод; к источникам энергии, используемым для управления процессом сбора и преобразования; на стоимость производства и транспортировки и рыночную цену химических удобрений.

Многообещающие результаты

Результаты анализа жизненного цикла показывают, что при воздушной отгонке выделяется примерно в 5–10 раз меньше парниковых газов, чем в процессе производства азота Габера-Боша, и потребляется примерно в 5–15 раз меньше энергии.

С экономической точки зрения общая стоимость производства химикатов для удобрений из сточных вод достаточно низка, чтобы производитель мог продавать их по цене более чем в 12 раз ниже, чем химикаты, производимые Haber-Bosch, и при этом оставаться безубыточным.

«Наше исследование показывает, что восстановление аммиака может быть рентабельным даже при низкой концентрации», — пишут они. «Хотя высокая концентрация аммиака является экологически благоприятной и может одновременно поддерживать маргинальное производство сульфата аммония с меньшим воздействием на окружающую среду, особенно для энергии жизненного цикла, выбросов парниковых газов и нескольких показателей здоровья человека и экосистемы, по сравнению с производством Габера-Боша».

Кроме того, исследование предполагает, что водоочистные сооружения могут экономить энергию за счет отгонки аммиака воздухом для снижения уровня до того, как вода снова попадет в процесс очистки сточных вод. Это связано с тем, что это сократит время и обработку, необходимые для очистки воды, и хорошо вписывается в процессы умягчения, которые помогают замедлить химическое осаждение на инфраструктуре очистных сооружений.

Хотя команда признает, что воздушная десорбция будет производить удобрения в меньших количествах, чем промышленный процесс Габера-Боша, возможность собирать и повторно использовать любое количество ресурсов помогает повысить устойчивость коммерческого сельского хозяйства и предотвращает их превращение в загрязнителей воды.

«Это указывает на то, что очистка воздуха для извлечения сульфата аммония может быть небольшой частью, но важным шагом на пути к извлечению и повторному использованию огромного количества азота, которое мы используем для поддержания мирового сельского хозяйства», — сказал Спатари.

«И, что немаловажно, он представляет собой альтернативу химическому производству, которое не оказывает такого же вредного воздействия на окружающую среду и здоровье человека, как текущий процесс. Это исследование предполагает, что поставщики услуг водоснабжения могут также рассмотреть возможность инвестирования в технологии, которые будут улавливать фосфор и перерабатывать его. для сельскохозяйственного использования».