Nguồn nitơ bền vững
Sản xuất nitơ để làm phân bón là một quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng và chiếm gần 2% lượng khí thải carbon dioxide toàn cầu. Trong vài năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã khám phá các giải pháp thay thế cho quy trình sản xuất nitơ của Haber-Bosch, vốn là tiêu chuẩn trong hơn một thế kỷ. Một khả năng đầy hứa hẹn, được một số nhà cung cấp dịch vụ cấp nước đưa ra gần đây là thu gom nitơ từ chất thải amoniac rút ra từ nước trong quá trình xử lý.
Patrick Gurian, người dẫn đầu nghiên cứu, cho biết: “Thu hồi nitơ từ nước thải sẽ là một giải pháp thay thế mong muốn cho quy trình Haber-Bosch vì nó tạo ra một nền kinh tế nitơ vòng tròn. Điều này có nghĩa là chúng tôi đang tái sử dụng nitơ hiện có thay vì tiêu thụ năng lượng và tạo ra khí nhà kính để thu hoạch nitơ từ khí quyển, đây là một thực tiễn bền vững hơn cho nông nghiệp và có thể tạo nên nguồn thu”.
 |
Amoniac ngày càng được coi là mối quan tâm 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 sông suối và có thể gây nguy hiểm cho các loài cá. Các giải pháp để loại bỏ amoniac nói chung là tốn thời gian và không gian và có thể là công việc tiêu tốn nhiều năng lượng.
Một phương án đang được một số cơ sở ở Bắc Mỹ và châu Âu khám phá là một quá trình gọi là tách khí. Nó loại bỏ amoniac bằng cách tăng nhiệt độ và độ pH của nước đủ để chuyển hóa chất thành khí, sau đó có thể được thu thập ở dạng cô đặc dưới dạng amoni sulfat.
Nhưng việc quyết định đầu tư để chuyển đổi sang hệ thống thoát khí 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.
Nhóm, do Gurian và Sabrina Spatari, Tiến sĩ từ Viện Công nghệ Technion Israel dẫn đầu, thường xuyên thực hiện các phân tích này để xem xét toàn bộ tác động môi trường và kinh tế của các phương án tái chế và tái sử dụng chất thải. 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 các cơ quan quản lý nước.
Nhóm nghiên cứu cho biết: “Phân tích của chúng tôi xác định tiềm năng giảm thiểu môi trường và lợi ích kinh tế đáng kể từ việc thực hiện công nghệ tách khí tại các nhà máy xử lý nước thải để sản xuất phân bón amoniac sulfat. Ngoài việc sản xuất amoniac sulfat như một sản phẩm bán được trên thị trường, lợi ích của việc giảm tải lượng amoniac trong dòng phụ trước khi nó được tái chế vào dòng nước thải tại nhà máy xử lý nước thải cung cấp thêm một lý do 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 của giải pháp và các nghiên cứu khả thi về kinh tế. Họ đã xem xét các yếu tố khác nhau, từ chi phí lắp đặt và duy 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.
Cải thiện tính bền vững của nông nghiệp
 |
| Nhưng các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ sinh học Frauenhof ở Stuttgart, Đức, đã tìm ra giải pháp cho phép sử dụng các nguồn nguyên liệu sẵn có – đó là nước thải từ các nhà máy xử lý nước thải và bã lên men của các nhà máy sản xuất sinh khối. Quá trình mới này được nhóm nghiên cứu về quản lý chất dinh dưỡng của Viện Frauenhof phát triển. Trong quá trình này, các chất dinh dưỡng được kết tủa ở dạng có thể trực tiếp sử dụng làm phân bón |
Kết quả phân tích vòng đời cho thấy quá trình tách khí thải ra ít khí nhà kính 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.
Về 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 phân bón với giá thấp hơn 12 lần so với hóa chất do Haber-Bosch sản xuất và vẫn hòa vốn. Nghiên cứu cho thấy rằng việc thu hồi amoniac có thể tiết kiệm chi phí ngay cả khi ở mức thấp.
Các nhà khoa học cho biết: “Mặc dù nồng độ amoniac cao là có lợi cho môi trường và đồng thời có thể hỗ trợ sản xuất amoni sunfat với tác động môi trường thấp hơn, đặc biệt đối với năng lượng vòng đời, phát thải khí nhà kính và các chỉ số sức khỏe hệ sinh thái và con người khác nhau, so với quá trình 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 đưa vào quy trình xử lý chất thải. Điều này là do nó sẽ cắt giảm thời gian và quy trình xử lý cần thiết để xử lý nước và giúp làm chậm quá trình lắng đọng hóa chất trên cơ sở hạ tầng của nhà máy xử lý.
Việc có thể thu thập và tái sử dụng bất kỳ lượng tài nguyên nào sẽ giúp cải thiện tính bền vững của nông nghiệp 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 sulfat có thể là một phần nhỏ - nhưng là một bước quan trọng - hướng tới phục hồi và tái sử dụng lượng lớn nitơ mà chúng ta sử dụng để duy trì nền nông nghiệp toàn cầu. Và điều quan trọng là nó đưa ra một giải pháp thay thế cho sản xuất hóa chất không có mức độ ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người như quy trình hiện tại để sử dụng trong nông nghiệp”.
