Ученые доказали экономичность превращения сточных вод в азотные удобрения

Выделение азота из отходов аммиака, извлеченных из воды во время очистки сточных вод методом воздушной отгонки, может стать более экологичной и экономически выгодной альтернативой традиционному методу производства азота, заявляют ученые из Университета Дрекселя в Филадельфии, США. Об этом сообщает 18 ноября сайт новостей науки EurekAlert со ссылкой на пресс-службу университета.

Исследование ученых, результаты которого они представили в статье «Оценка жизненного цикла и технико-экономический анализ извлечения азота путем отделения аммиака при очистке сточных вод», опубликованной в журнале Science of The Total Environment, показывает, что сточные воды могут сыграть важную роль в создании более устойчивого сельского хозяйства.

Проведенное исследование, рассматривающее процесс удаления аммиака из сточных вод и превращения его в удобрение, предполагает, что это не только технически жизнеспособное решение, но оно может помочь уменьшить воздействие производства удобрений на окружающую среду, а также расход энергии и даже сможет обеспечить постоянный доход для инженерных сетей и водоочистных сооружений.

В настоящее время производство азота для удобрений является энергоемким процессом и, кроме того, дает почти 2% всех глобальных выбросов углекислого газа.

Исследователи Университета Дрекселя изучили возможные альтернативы процессу производства азота Габера-Боша, который уже более века является стандартом, и определили, что многообещающей, недавно предложенной некоторыми поставщиками услуг водоснабжения альтернативой, является производство азота из отходов аммиака, извлеченных из воды во время ее очистки.

«Извлечение азота из сточных вод было бы желательной альтернативой процессу Haber-Bosch, потому что создает „замкнутый цикл азотной экономики“», — отметил Патрик Гуриан, доктор философии, профессор инженерного колледжа университета, который участвовал в исследовании.

В этом случае производитель повторно использует существующий азот, а не тратит энергию, а также не производит парниковый газ, что создает более экологичную практику для сельского хозяйства, а также источник дохода для коммунальных служб.

В соответствии с законом США о чистой воде от 1972 года муниципальные водоочистные сооружения обязаны обеспечивать соответствие стандартам качества той воды, которую они сбрасывают в водоемы.

При этом аммиак всё чаще рассматривается как проблема для водной среды, поскольку его повышенный уровень может привести к разрастанию растительности в ручьях и реках, а это может быть опасно для рыб. Существующие методы удаления аммиака обычно требуют много времени и дополнительного места, а также довольно энергоемки.

Один из методов, который изучается на нескольких объектах в Северной Америке и Европе, — это процесс воздушной отгонки. При нем удаление аммиака происходит при повышении температуры и pH загрязненной воды, достаточных, чтобы превратить аммиак в газ, из которого затем можно получить сульфат аммония.

Однако принятие решения о вложении средств для перехода к воздушной очистке требует исследования — так называемого анализа жизненного цикла, технологической и финансовой жизнеспособности такого проекта.

Команда, возглавляемая Гурианом и Сабриной Спатари, докторами наук из Техниона Израильского технологического института, регулярно проводит такой анализ, чтобы оценить все экологические и экономические последствия различных вариантов переработки и повторного использования отходов или побочных продуктов.

Проведенный ими анализ этого сценария очистки сточных вод свидетельствует о том, что он может обеспечить более устойчивый путь как для фермеров, так и для органов управления водными ресурсами.

«Наш анализ выявил значительный потенциал для смягчения воздействия на окружающую среду и экономической выгоды от внедрения технологии дегазации на очистных сооружениях для производства сульфатно-аммиачного удобрения», — сообщили исследователи.

Используя данные водоочистных сооружений в Филадельфии и нескольких других в Северной Америке и Европе, команда провела оценку жизненного цикла и выполнила экономическое обоснование примения процесса воздушной очистки.

В своем исследовании ученые рассматривали различные факторы: стоимость установки и обслуживания системы дегазации до концентрации аммиака, расход сточных вод; источники энергии, используемые для управления процессом сбора и преобразования; стоимость производства и транспортировки и рыночная цена химических удобрений.

Результаты анализа жизненного цикла показывают, что при воздушной отгонке аммиака выделяется примерно в 5–10 раз меньше парниковых газов, чем при производстве азота с использованием процесса Габера-Боша, а также потребляется примерно в 5–15 раз меньше энергии.

С экономической точки зрения общая стоимость производства химикатов для удобрений из сточных вод настолько низка, что производитель может продавать удобрения по цене более чем в 12 раз ниже, чем при использовании процесса Габера-Боша.

«Наше исследование показывает, что извлечение аммиака может быть рентабельным даже при его низких концентрациях», — заявляют исследователи.

Кроме того, исследование предполагает, что водоочистные сооружения при этом могут экономить энергию, так как сокращается время на очистку воды. Кроме того, в этом случае происходят процессы умягчения воды, которые помогают замедлить образование осадка на инфраструктуре очистных сооружений.

Хотя команда признает, что методом воздушной десорбции будет производиться меньшее количество удобрения на одной установке, чем в промышленном процессе Габера-Боша, однако возможность при его применении собирать и повторно использовать любое количество сточных вод поможет повысить устойчивость коммерческого сельского хозяйства и исключить его из списка загрязнителей воды.

Также немаловажен тот факт, этот процесс станет альтернативой химическому производству и не окажет такого же вредного воздействия на окружающую среду и здоровье человека, как применяющийся повсеместно процесс Габера-Боша.