Das Abwasser, das aus riesigen Klärschlammbecken abfließt, hat das Potenzial, eine Rolle für eine nachhaltigere Landwirtschaft zu spielen, so Forscher der Umwelttechnik an der Drexel University.
Eine neue Studie, die sich mit einem Verfahren zur Entfernung von Ammoniak aus Abwasser und seiner Umwandlung in Düngemittel befasst, legt nahe, dass es nicht nur technisch machbar ist, sondern auch dazu beitragen könnte, den ökologischen und energetischen Fußabdruck der Düngemittelproduktion zu verringern – und sogar eine Einnahmequelle darstellen könnte Versorgungsunternehmen und Wasseraufbereitungsanlagen.
Eine nachhaltige Stickstoffquelle
Die Produktion von Stickstoff für Düngemittel ist ein energieintensiver Prozess und macht fast 2 % der weltweiten Kohlendioxidemissionen aus. In den letzten Jahren haben Forscher Alternativen zum Haber-Bosch-Stickstoffherstellungsverfahren untersucht, das seit mehr als einem Jahrhundert der Standard ist. Eine vielversprechende Möglichkeit, die kürzlich von einigen Wasserversorgern angesprochen wurde, ist die Gewinnung von Stickstoff aus dem Abfall-Ammoniak, das während der Behandlung aus dem Wasser gezogen wird.
„Die Rückgewinnung von Stickstoff aus Abwasser wäre eine wünschenswerte Alternative zum Haber-Bosch-Verfahren, da es eine ‚Kreislauf-Stickstoffwirtschaft‘ schafft“, sagte Patrick Gurian, Ph.D., Professor am College of Engineering, der an der Leitung der Forschung beteiligt war wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft der gesamten Umwelt.
„Das bedeutet, dass wir vorhandenen Stickstoff wiederverwenden, anstatt Energie aufzuwenden und Treibhausgase zu erzeugen, um Stickstoff aus der Atmosphäre zu gewinnen, was eine nachhaltigere Praxis für die Landwirtschaft ist und eine Einnahmequelle für Versorgungsunternehmen werden könnte.“
Eine sauberere Art zu reinigen
Unter dem Clean Water Act von 1972 wurden kommunale Wasseraufbereitungsanlagen aufgefordert, Wasserqualitätsstandards für Wasser zu erfüllen, das sie in Wasserstraßen einleiten. Ammoniak wird zunehmend als ein Problem für aquatische Umgebungen angesehen, da erhöhte Ammoniakwerte zu einem Überwuchern der Vegetation in Bächen und Flüssen führen können, was Fischarten gefährden kann. Die Optionen zum Entfernen von Ammoniak sind im Allgemeinen zeit- und platzaufwändig und können energieintensive Unternehmungen sein.
Eine Option, die von mehreren Einrichtungen in Nordamerika und Europa untersucht wird, ist ein Prozess namens Air-stripping. Es entfernt Ammoniak, indem es die Temperatur und den pH-Wert des Wassers ausreichend erhöht, um die Chemikalie in ein Gas umzuwandeln, das dann in konzentrierter Form als Ammoniumsulfat gesammelt werden kann.
Aber die Entscheidung, die Investition für die Umstellung auf Air-Striping zu tätigen, erfordert eine komplexe Studie – eine so genannte Lebenszyklusanalyse – ihrer technologischen und finanziellen Realisierbarkeit.
Erkundung der Option
Das Team unter der Leitung von Gurian und Sabrina Spatari, Ph.D., vom Technion Israel Institute of Technology, führt diese Analysen regelmäßig durch, um eine Bestandsaufnahme der vollständigen ökologischen und wirtschaftlichen Auswirkungen verschiedener Optionen für das Recycling und die Wiederverwendung von Abfall oder Nebenprodukten zu machen als nachhaltige Lösungen. Ihre Analyse dieses Abwasserszenarios legt nahe, dass es eine komplementäre Beziehung gibt, die zu einem nachhaltigeren Weg sowohl für Landwirte als auch für Wasserwirtschaftsbehörden führen könnte.
„Unsere Analyse identifiziert ein erhebliches Potenzial für die Umweltentlastung und den wirtschaftlichen Nutzen durch die Implementierung der Airstripping-Technologie in Kläranlagen zur Herstellung von Ammoniaksulfatdünger“, schrieben sie.
„Neben der Herstellung von Ammoniaksulfat als marktfähiges Produkt bietet der Vorteil der Verringerung der Ammoniakbelastung im Nebenstrom, bevor er in der Kläranlage in den Abwasserstrom zurückgeführt wird, eine zusätzliche Rechtfertigung für die Einführung des Luftstrippens.“
Unter Verwendung von Daten aus der Wasseraufbereitungsanlage in Philadelphia und mehreren anderen in Nordamerika und Europa führte das Team seine Lebenszyklusanalyse und Studien zur wirtschaftlichen Machbarkeit durch. Sie untersuchten Faktoren, die von den Kosten für die Installation und Wartung eines Luftabstreifsystems bis zur Ammoniakkonzentration und der Durchflussrate des Abwassers reichten; zu den Energiequellen, die verwendet werden, um den Sammel- und Umwandlungsprozess voranzutreiben; zu den Produktions- und Transportkosten und dem Marktpreis der Düngemittelchemikalien.
Vielversprechende Ergebnisse
Die Ergebnisse der Lebenszyklusanalyse zeigen, dass das Airstripping etwa fünf- bis zehnmal weniger Treibhausgase ausstößt als das stickstofferzeugende Verfahren von Haber-Bosch und etwa fünf- bis 15mal weniger Energie verbraucht.
Aus wirtschaftlicher Sicht sind die Gesamtkosten für die Herstellung von Düngemittelchemikalien aus Abwasser niedrig genug, dass der Hersteller sie zu einem Preis verkaufen könnte, der mehr als 12-mal niedriger ist als der von Haber-Bosch hergestellte Chemikalien und immer noch kostendeckend ist.
„Unsere Studie legt nahe, dass die Rückgewinnung von Ammoniak selbst bei geringer Konzentration kostengünstig sein kann“, schreiben sie. „Obwohl eine hohe Ammoniakkonzentration umweltfreundlich ist und gleichzeitig eine marginale Produktion von Ammoniumsulfat mit geringeren Umweltauswirkungen unterstützen kann, insbesondere für Lebenszyklusenergie, Treibhausgasemissionen und mehrere Gesundheitsindikatoren für Mensch und Ökosystem im Vergleich zur Haber-Bosch-Produktion.“
Darüber hinaus deutet die Studie darauf hin, dass Wasseraufbereitungsanlagen Energieeinsparungen erzielen können, indem das Ammoniak durch Luftabstreifung reduziert wird, bevor das Wasser wieder in den Abfallbehandlungsprozess gelangt. Dies liegt daran, dass es den Zeit- und Verarbeitungsaufwand für die Wasseraufbereitung verkürzen würde und sich gut in Enthärtungsverfahren einfügt, die dazu beitragen, die chemische Ablagerung auf der Infrastruktur der Kläranlage zu verlangsamen.
Während das Team anerkennt, dass das Airstripping Düngemittel in geringeren Mengen produzieren würde als das industrielle Haber-Bosch-Verfahren, trägt die Möglichkeit, eine beliebige Menge an Ressourcen zu sammeln und wiederzuverwenden, dazu bei, die Nachhaltigkeit der kommerziellen Landwirtschaft zu verbessern und zu verhindern, dass sie zu Wasserschadstoffen werden.
„Dies deutet darauf hin, dass das Airstripping zur Rückgewinnung von Ammoniumsulfat ein kleiner Teil – aber ein wichtiger Schritt – zur Rückgewinnung und Wiederverwendung der riesigen Menge an Stickstoff sein könnte, die wir zur Aufrechterhaltung der globalen Landwirtschaft verwenden“, sagte Spatari.
„Und vor allem stellt es eine Alternative für die chemische Produktion dar, die nicht das gleiche Maß an schädlichen Auswirkungen auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit hat wie das derzeitige Verfahren. Diese Studie legt nahe, dass Wasserversorger auch in Betracht ziehen könnten, in Technologien zu investieren, die Phosphor auffangen und recyceln würden für die landwirtschaftliche Nutzung.“
Mehr Informationen:
Saurajyoti Kar et al, Lebenszyklusanalyse und technisch-wirtschaftliche Analyse der Stickstoffrückgewinnung durch Ammoniak-Air-Stripping aus der Abwasserbehandlung, Wissenschaft der gesamten Umwelt (2022). DOI: 10.1016/j.scitotenv.2022.159499