Каждый год очистные сооружения США обрабатывают триллионы галлонов воды — от того, что мы спускаем в унитаз, до воды, уходящей в канализацию через раковину.
В новом исследовании группа под руководством учёных из Северо-Западного университета и Университета Иллинойса в Урбане-Шампейн проанализировала данные более чем 15 000 очистных сооружений, чтобы понять скрытые климатические издержки, связанные с этой очисткой.
Исследование, [опубликованное](https://www.nature.com/articles/s44221-025-00485-w) в журнале Nature Water, показывает, что очистные сооружения США ежегодно выбрасывают в атмосферу эквивалент примерно 47 миллионов метрических тонн углекислого газа (CO₂). Из этих выбросов метан и закись азота играют большую роль, чем предполагалось ранее, превышая текущие государственные оценки на 41%.
Основные выводы исследования
Дженнифер Данн, старший автор исследования, профессор химической и биологической инженерии в Северо-Западном университете и директор Центра инженерной устойчивости и устойчивого развития, отметила: «Было удивительно ясно увидеть, что метан и выбросы закиси азота являются доминирующими факторами».
Данн подчеркнула, что более чёткое представление о вкладе очистных сооружений в изменение климата поможет определить, где усилия по обезуглероживанию могут быть наиболее эффективными. «Мы обнаружили, что существуют относительно простые возможности для сокращения выбросов парниковых газов с очистных сооружений, — сказала она. — Мы также отметили необходимость разработки новых технологий для дальнейшего сокращения этих выбросов».
Методы исследования
Чтобы оценить полные климатические издержки очистки сточных вод, исследователи подсчитали не только выбросы от каждого процесса очистки на заводе, но и выбросы от производства энергии и химикатов, необходимых для работы очистных сооружений, а также от утилизации твёрдых отходов после очистки.
Они обнаружили, что метан и закись азота, мощные парниковые газы, образующиеся в результате процессов очистки сточных вод, являются основными источниками выбросов. Метан составляет 41% от общего объёма выбросов, что эквивалентно 16 миллионам метрических тонн CO₂. Закись азота составляет 24%, что эквивалентно 12 миллионам метрических тонн CO₂.
Процесс очистки сточных вод
На очистных сооружениях сточные воды и содержащиеся в них твёрдые частицы проходят несколько стадий обработки, чтобы их можно было вернуть в окружающую среду.
Одним из распространённых способов очистки сточных вод является [анаэробное сбраживание](https://phys.org/tags/anaerobic+digestion/). Внутри анаэробного реактора микроорганизмы питаются отходами и создают биогаз, состоящий в основном из метана. «Проблема с анаэробными реакторами заключается в том, что они могут протекать, и некоторые из них протекают довольно сильно», — сказала Данн.
Хотя очистные сооружения могут использовать биогаз в качестве возобновляемого источника энергии, выбросы метана могут перевешивать климатические выгоды. Однако, по словам Данн, утечку можно устранить. «Это то, что можно исправить, — сказала она. — Так что это пример простой возможности, которую мы увидели сразу».
Перед тем как сточные воды станут достаточно чистыми для сброса в поверхностные или грунтовые воды, на очистных сооружениях часто удаляют избыток азота, который в противном случае может привести к увеличению роста водорослей и снижению содержания кислорода в воде, нанося вред водным обитателям.
Для удаления азота из сточных вод многие очистные сооружения используют процесс нитрификации-денитрификации. В процессе этого в атмосферу выделяются закись азота — мощный парниковый газ — и безвредный азот.
Между тем другие технологии позволяют извлекать азот из воздуха для использования в таких продуктах, как удобрения. Эти технологии часто требуют много энергии, поэтому разработка способа извлечения азота непосредственно из сточных вод может сэкономить энергию и сократить выбросы.
«Если бы мы могли просто избежать попадания этого азота обратно в воздух и использовать его для производства таких продуктов, как корм или удобрения, то мы бы двигались к круговой экономике азота», — сказала Данн.
Исследователи в настоящее время работают с очистными сооружениями, чтобы собрать более подробные данные и усовершенствовать инструмент моделирования с открытым исходным кодом, который предприятия могут использовать для понимания своих выбросов.
«Многие муниципалитеты имеют планы действий по борьбе с изменением климата, и они хотят сделать что-то для сокращения выбросов парниковых газов, — сказала Данн. — Одна из наших надежд заключалась в том, что это исследование поможет очистным сооружениям».
Хотя их анализ включал только очистные сооружения США, их методы могут работать для любого предприятия, имеющего соответствующие данные, сказала она.
Поскольку население мира продолжает расти, а государственные службы расширяются, чтобы обслуживать всё больше людей, чем когда-либо прежде, обезуглероживание очистки сточных вод во всём мире будет иметь важное значение для достижения климатических целей. «Это существенный сектор, и он требует внимания», — сказала Данн.
Предоставлено
[Северо-Западный университет](https://phys.org/partners/northwestern-university/)