Biến nước thải thành phân bón là khả thi và có thể làm cho nông nghiệp bền vững hơn
bởi Đại học Drexel
Trừu tượng đồ họa: Khoa học về Môi trường Tổng thể (2022). DOI: 10.1016/j.scitotenv.2022.159499
Theo các nhà nghiên cứu kỹ thuật môi trường tại Đại học Drexel, nước thải chảy ra từ các bể bùn thải khổng lồ có khả năng đóng một vai trò trong nền nông nghiệp bền vững hơn.
Một nghiên cứu mới xem xét quy trình loại bỏ amoniac khỏi nước thải và chuyển hóa thành phân bón, cho thấy rằng quy trình này không chỉ khả thi về mặt kỹ thuật mà còn có thể giúp giảm tác động đến môi trường và năng lượng của quá trình sản xuất phân bón—và thậm chí có thể mang lại một dòng doanh thu cho tiện ích và cơ sở xử lý nước.
Nguồn nitơ bền vững
Việc sản xuất nitơ để làm phân bón là một quá trình sử dụng nhiều năng lượng và chiếm gần 2% lượng khí thải carbon dioxide toàn cầu. Trong vài năm qua, các nhà nghiên cứu đã khám phá các giải pháp thay thế cho quy trình sản xuất nitơ Haber-Bosch, vốn là tiêu chuẩn trong hơn một thế kỷ. Một khả năng đầy hứa hẹn, gần đây đã được một số nhà cung cấp dịch vụ cấp nước nêu ra, là thu được nitơ từ chất thải amoniac được lấy ra từ nước trong quá trình xử lý.
"Thu hồi nitơ từ nước thải sẽ là một giải pháp thay thế mong muốn cho quy trình Haber-Bosch vì nó tạo ra 'nền kinh tế nitơ tuần hoàn'," Patrick Gurian, Ph.D., giáo sư tại Đại học Kỹ thuật, người đã giúp dẫn dắt nghiên cứu, cho biết. đã được xuất bản gần đây trên tạp chí Science of the Total Environment.
"Điều này có nghĩa là chúng tôi đang tái sử dụng nitơ hiện có thay vì tiêu tốn năng lượng và tạo ra khí nhà kính để thu hoạch nitơ từ khí quyển, đây là một phương pháp bền vững hơn cho nông nghiệp và có thể trở thành nguồn doanh thu cho các tiện ích."
Một cách sạch hơn để làm sạch
Theo Đạo luật Nước sạch năm 1972, các cơ sở xử lý nước của thành phố đã được thử thách để đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng nước đối với nước mà chúng thải vào đường thủy. Amoniac ngày càng tăng được coi là mối lo ngại đối với môi trường nước vì nồng độ amoniac tăng cao có thể dẫn đến sự phát triển quá mức của thảm thực vật ở các dòng suối và sông, điều này có thể gây nguy hiểm cho các loài cá. Các phương án loại bỏ amoniac thường tốn nhiều thời gian và không gian và có thể là những công việc tốn nhiều năng lượng.
Một lựa chọn đang được khám phá bởi một số cơ sở ở Bắc Mỹ và Châu Âu là một quá trình gọi là air-stripping. Nó loại bỏ amoniac bằng cách tăng nhiệt độ và độ pH của nước đủ để chuyển hóa chất này thành khí, sau đó có thể thu được khí này ở dạng cô đặc dưới dạng amoni sunfat.
Nhưng việc quyết định đầu tư để chuyển đổi sang loại bỏ hàng không đòi hỏi một nghiên cứu phức tạp—được gọi là phân tích vòng đời—về khả năng tồn tại về công nghệ và tài chính của nó.
Khám phá tùy chọn
Nhóm do Gurian và Sabrina Spatari, Ph.D., từ Viện Công nghệ Technion Israel dẫn đầu, thường xuyên thực hiện các phân tích này để đánh giá toàn bộ tác động kinh tế và môi trường của các phương án tái chế và tái sử dụng chất thải hoặc sản phẩm phụ. như những giải pháp bền vững. Phân tích của họ về kịch bản nước thải này cho thấy có một mối quan hệ bổ sung có thể dẫn đến một con đường bền vững hơn cho cả nông dân và cơ quan quản lý nước.
"Phân tích của chúng tôi xác định tiềm năng đáng kể để giảm thiểu môi trường và lợi ích kinh tế từ việc triển khai công nghệ tách khí tại các nhà máy xử lý nước thải để sản xuất phân bón amoniac sunfat," họ viết.
"Ngoài việc sản xuất amoniac sunfat như một sản phẩm có thể bán được trên thị trường, lợi ích của việc giảm tải lượng amoniac trong dòng phụ trước khi nó được tái chế thành dòng nước thải tại nhà máy xử lý nước thải cung cấp thêm lý do biện minh cho việc áp dụng phương pháp tách khí."
Sử dụng dữ liệu từ cơ sở xử lý nước của Philadelphia và một số cơ sở khác trên khắp Bắc Mỹ và Châu Âu, nhóm đã tiến hành đánh giá vòng đời và nghiên cứu tính khả thi về mặt kinh tế. Họ đã xem xét các yếu tố từ chi phí lắp đặt và bảo trì hệ thống tách khí, đến nồng độ amoniac và tốc độ dòng chảy của nước thải; đến các nguồn năng lượng được sử dụng để thúc đẩy quá trình thu thập và chuyển đổi; đến chi phí sản xuất, vận chuyển và giá thị trường của hóa chất phân bón.
Kết quả hứa hẹn
Kết quả phân tích vòng đời cho thấy quá trình tách khí phát thải khí nhà kính ít hơn khoảng 5 đến 10 lần so với quy trình sản xuất nitơ của Haber-Bosch và sử dụng năng lượng ít hơn khoảng 5 đến 15 lần.
Từ góc độ kinh tế, tổng chi phí sản xuất hóa chất phân bón từ nước thải đủ thấp để nhà sản xuất có thể bán chúng với giá thấp hơn 12 lần so với hóa chất do Haber-Bosch sản xuất mà vẫn hòa vốn.
Họ viết: “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng việc thu hồi amoniac có thể tiết kiệm chi phí ngay cả ở nồng độ thấp. "Mặc dù nồng độ amoniac cao có lợi cho môi trường và đồng thời có thể hỗ trợ sản xuất biên của
ammonium sulfate với tác động môi trường thấp hơn, đặc biệt đối với năng lượng vòng đời, khí thải nhà kính và một số chỉ số sức khỏe con người và hệ sinh thái, so với sản xuất của Haber-Bosch."
Ngoài ra, nghiên cứu cho thấy rằng các cơ sở xử lý nước có thể tiết kiệm năng lượng bằng cách loại bỏ amoniac trong không khí để giảm mức độ trước khi nước đi vào quy trình xử lý chất thải. Điều này là do nó sẽ cắt giảm thời gian và quá trình xử lý cần thiết để xử lý nước và phù hợp tốt với các quy trình làm mềm giúp làm chậm quá trình lắng đọng hóa chất trên cơ sở hạ tầng của nhà máy xử lý.
Mặc dù nhóm thừa nhận rằng việc tách khí sẽ tạo ra phân bón với lượng nhỏ hơn so với quy trình Haber-Bosch công nghiệp, nhưng khả năng thu thập và tái sử dụng bất kỳ lượng tài nguyên nào giúp cải thiện tính bền vững của nông nghiệp thương mại và ngăn chúng trở thành chất gây ô nhiễm nước.
Spatari cho biết: “Điều này chỉ ra rằng việc tách khí để thu hồi amoni sunfat có thể là một phần nhỏ—nhưng là một bước quan trọng—hướng tới thu hồi và tái sử dụng lượng nitơ khổng lồ mà chúng ta sử dụng để duy trì nền nông nghiệp toàn cầu”.
"Và, đáng kể là nó đưa ra một giải pháp thay thế cho sản xuất hóa chất mà không có cùng mức độ ảnh hưởng có hại đến môi trường và sức khỏe con người như quy trình hiện tại. Nghiên cứu này gợi ý rằng các nhà cung cấp dịch vụ cấp nước cũng có thể xem xét đầu tư vào các công nghệ thu giữ phốt pho và tái chế nó dùng trong nông nghiệp."
