По мнению исследователей экологической инженерии из Университета Дрексела, сточные воды, стекающие из огромных бассейнов осадка сточных вод, потенциально могут сыграть важную роль в более устойчивом сельском хозяйстве.

Новое исследование, посвященное процессу удаления аммиака из сточных вод и превращения его в удобрение, предполагает, что это не только технически осуществимо, но и может помочь снизить экологическое и энергетическое воздействие производства удобрений — и даже может обеспечить источник дохода для коммунальных служб и водоочистных сооружений.

Устойчивый источник азота

Производство азота для удобрения является энергоемким процессом, на долю которого приходится почти 2% глобальных выбросов углекислого газа. За последние несколько лет исследователи изучили альтернативы процессу производства азота Haber-Bosch, который был стандартом более века. Одной из многообещающих возможностей, недавно рассмотренных некоторыми поставщиками услуг водоснабжения, является извлечение азота из отработанного аммиака, выделяемого из воды во время очистки.

"Извлечение азота из сточных вод было бы желательной альтернативой процессу Хабера-Боша, поскольку это создает "круговую азотную экономию", - сказал Патрик Гуриан, доктор философии, профессор инженерного колледжа, который помогал руководить исследованием, которое недавно было опубликовано в журнале Science of the Total Environment.

"Это означает, что мы повторно используем существующий азот, а не расходуем энергию и генерируем 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 перед муниципальными очистными сооружениями была поставлена задача соответствовать стандартам качества воды, которую они сбрасывают в водные пути. Все чаще аммиак рассматривается как угроза для водной среды, поскольку повышенный уровень аммиака может привести к чрезмерному росту растительности в ручьях и реках, что может поставить под угрозу виды рыб. Варианты удаления аммиака, как правило, требуют много времени и места и могут быть энергоемкими мероприятиями.

Одним из вариантов, изучаемых несколькими предприятиями в Северной Америке и Европе, является процесс, называемый очисткой воздуха. Он удаляет аммиак, повышая температуру и рН воды настолько, чтобы химическое вещество превратилось в газ, который затем может быть собран в концентрированной форме в виде сульфата аммония.

Но принятие решения об инвестициях для перехода на очистку воздуха требует комплексного исследования — называемого анализом жизненного цикла — его технологической и финансовой жизнеспособности.

Изучение этого варианта

Команда, возглавляемая Гурианом и Сабриной Спатари, докторами философии из Израильского технологического института Технион, регулярно проводит эти анализы, чтобы оценить полное экологическое и экономическое воздействие различных вариантов переработки и повторного использования отходов или побочных продуктов в качестве устойчивых решений. Их анализ этого сценария очистки сточных вод показывает, что существует взаимодополняющая взаимосвязь, которая может привести к более устойчивому пути как для фермеров, так и для органов управления водными ресурсами.

"Наш анализ выявляет значительный потенциал для смягчения воздействия на окружающую среду и экономическую выгоду от внедрения технологии очистки воздуха на очистных сооружениях для производства сульфатно-аммиачных удобрений", - написали они.

"В дополнение к производству сульфата аммиака в качестве товарного продукта преимущество снижения содержания аммиака в боковом потоке перед его рециркуляцией в поток сточных вод на станции очистки сточных вод дает дополнительное обоснование для применения очистки воздуха".

Используя данные водоочистного сооружения в Филадельфии и нескольких других объектов в Северной Америке и Европе, команда провела оценку жизненного цикла и технико-экономическое обоснование. Они рассмотрели различные факторы, начиная от стоимости установки и обслуживания системы очистки воздуха, до концентрации аммиака и расхода сточных вод; до источников энергии, используемых для управления процессом сбора и переработки; до затрат на производство и транспортировку и рыночной цены химических удобрений.

Многообещающие результаты

Результаты анализа жизненного цикла показывают, что при очистке воздуха выделяется примерно в 5-10 раз меньше парниковых газов, чем в процессе производства азота Haber-Bosch, и потребляется примерно в пять-15 раз меньше энергии.

С экономической точки зрения общая стоимость производства химических 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 извлечение аммиака может быть экономически эффективным даже при низкой концентрации", - пишут они. "Хотя высокая концентрация аммиака благоприятна для окружающей среды и может одновременно поддерживать предельное производство сульфата аммония с меньшим воздействием на окружающую среду, особенно в отношении энергии жизненного цикла, выбросов парниковых газов и ряда показателей здоровья человека и экосистем, по сравнению с производством Haber-Bosch".

Кроме того, исследование предполагает, что водоочистные сооружения могут обеспечить экономию энергии за счет удаления аммиака воздухом для снижения уровня до того, как вода снова попадет в процесс очистки отходов. Это связано с тем, что это сократило бы время и обработку, необходимые для очистки воды, и хорошо сочетается с процессами умягчения, которые помогают замедлить химическое осаждение на инфраструктуре очистных сооружений.

Хотя команда признает, что воздушная очистка позволит производить удобрения в меньших количествах, чем промышленный процесс Хабера-Боша, возможность сбора и повторного использования любого количества ресурсов помогает повысить устойчивость коммерческого сельского хозяйства и предотвращает их превращение в загрязнители 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 глобального сельского хозяйства", - сказал Спатари.

"И, что важно, это представляет собой альтернативу химическому производству, которое не оказывает такого же вредного воздействия на окружающую среду и здоровье человека, как нынешний процесс. Это исследование предполагает, что поставщики услуг водоснабжения могли бы также рассмотреть возможность инвестирования в технологии, которые будут улавливать фосфор и перерабатывать его для использования в сельском хозяйстве ".