Очистные сооружения являются основным источником выбросов парниковых газов, включая метан (CH₄) и оксид азота (N₂O).
Многие исследования рассматривали выбросы сильнодействующих парниковых газов с очистных сооружений, однако аммиаку (NH₃) уделялось мало внимания.
Аммиак, попадающий в атмосферу, в основном происходит из-за потерь азота из почвы после внесения удобрений и из-за отходов животноводства.
Считалось, что выбросы аммиака с очистных сооружений незначительны, поскольку бытовые сточные воды, поступающие на очистные сооружения, имеют низкую концентрацию аммиака (20–50 миллиграммов азота на литр сточных вод). Однако то, что происходит в процессе очистки, может изменить эту концентрацию, и очистные сооружения являются потенциально крупным источником выбросов аммиака.
Газообразный аммиак является вторичным парниковым газом. Он не вызывает потепления напрямую, но может быть преобразован в другой газ на основе азота — оксид азота, который в 265 раз сильнее углекислого газа за 100 лет.
Атмосферный аммиак может поглощаться растениями в процессе, называемом «сухим осаждением», или «улавливаться» каплями воды в воздухе (во время дождя или тумана) и оседать на ландшафте в виде твёрдых частиц (PM₂.5 и PM₁0).
Эти аэрозоли, содержащие аммоний, могут влиять на здоровье человека (они являются известным фактором развития рака лёгких и заболеваний глаз) и вредят экосистемам, образуя кислые почвы, загрязняя водные пути и снижая биоразнообразие.
Наконец, осаждённый аммиак может преобразовываться в почве и повторно поступать в атмосферу в виде оксида азота.
Сушильные ванны для шлама (СДШ) — распространённый метод, используемый для обезвоживания шлама, особенно в регионах с обширными земельными участками, благоприятными климатическими условиями и в некоторых развивающихся странах. Их популярность обусловлена экономической эффективностью, простотой и низкими потребностями в энергии.
Ряд очистных сооружений в Австралии использует СДШ в качестве основного способа обезвоживания и обработки остаточного шлама. Шлам, выходящий из анаэробных реакторов, переносится в открытые СДШ. В этих неглубоких открытых ваннах шлам распределяется по непроницаемому основанию так, что вода теряется преимущественно за счёт испарения.
Свободная жидкость сливается из ванны для дальнейшей обработки, оставляя полутвёрдый материал, который высушивается солнцем и ветром для облегчения хранения, повторного использования или утилизации (эти богатые питательными веществами «биосолиды» высоко ценятся в некоторых отраслях, например, в сельском хозяйстве).
Во время этого процесса часть азота в шламе может быть преобразована в аммиак и выпущена в виде газа. Однако величина этих выбросов с течением времени и то, как работа сушильных ванн — например, частота перемешивания шлама и добавление других материалов — влияет на эти выбросы, были неясны.
Это связано с тем, что аммиак трудно точно измерить. Аммиак «липкий» — он высокореактивен и легко поглощается любой поверхностью, и часто концентрация (в виде газа) меняется между сбором и измерением.
Существующие методы, такие как прокачка воздуха через абсорбирующий коллектор, трудоёмки и непрактичны в полевых условиях в течение длительных периодов времени.
В нашем недавнем исследовании, опубликованном в Nature Water, мы разработали микрометеорологическую технику, которая сочетает в себе ряд простых измерений, включая концентрацию газов с наветренной и подветренной стороны от источника, метеорологическую информацию о ветре и карту расположения источника и оборудования для мониторинга аммиака из сушильной ванны для шлама.
Это сотрудничество возглавлялось Университетом Мельбурна, Университетом Квинсленда и Melbourne Water.
Устройство, называемое открытым путём преобразования Фурье в инфракрасный спектрометр, посылает луч на отражатель на другом конце ванны и затем использует возвращённый луч для одновременного измерения ряда следовых газов, включая аммиак, оксид азота, метан, углекислый газ, монооксид углерода и водяной пар.
Этот метод не требует сложных установок, таких как насосы и нагреваемые входы для проб, которые нецелесообразны в полевых условиях.
Это исследование обнаружило значительные выбросы аммиака в процессе сушки шлама. Это важно, поскольку сушильные ванны для шлама широко используются во многих странах из-за их экономической эффективности и простоты.
Хотя они и не так высоки, как выбросы аммиака от сельскохозяйственных удобрений, выбросы аммиака, измеренные в сушильных ваннах, были заметно выше, чем у других известных источников аммиака, таких как отходы животноводства и растительные выбросы.
Это говорит о том, что вклад очистных сооружений и особенно сушильных ванн для шлама в глобальные выбросы аммиака может быть существенным и в значительной степени упущен из виду.
Поскольку все части экономики работают над достижением не только чистых нулевых выбросов, но и над поддержанием здоровья человека и окружающей среды, очистные сооружения должны принимать меры по снижению потерь аммиака в атмосферу.
Эти меры могут включать переход на альтернативные подходы к обезвоживанию шлама, такие как центрифугирование, ленточные фильтр-прессы и термическая сушка.
Кроме того, очистные сооружения могут устанавливать «блоки послеаэробной обработки», которые удаляют аммиак из шлама. Эти блоки также предлагают дополнительные преимущества, включая улучшенное удаление патогенов, выщелачивание тяжёлых металлов и разрушение микрозагрязнителей.
Понимание масштабов этих выбросов — первый шаг, следующим является разработка недорогих инновационных мер по снижению выбросов аммиака с очистных сооружений.