Las aguas residuales que se drenan de las piscinas masivas de lodos de depuradora tienen el potencial de desempeñar un papel en una agricultura más sostenible, según investigadores de ingeniería ambiental de la Universidad de Drexel.
Por la Universidad de Drexel
Un nuevo estudio, que analiza un proceso para eliminar el amoníaco de las aguas residuales y convertirlo en fertilizante, sugiere que no solo es técnicamente viable, sino que también podría ayudar a reducir la huella ambiental y energética de la producción de fertilizantes, e incluso podría proporcionar un flujo de ingresos para servicios e instalaciones de tratamiento de agua.
Una fuente sostenible de nitrógeno
La producción de nitrógeno para fertilizantes es un proceso que consume mucha energía y representa casi el 2 % de las emisiones mundiales de dióxido de carbono. En los últimos años, los investigadores han explorado alternativas al proceso de producción de nitrógeno de Haber-Bosch, que ha sido el estándar durante más de un siglo. Una posibilidad prometedora, planteada recientemente por algunos proveedores de servicios de agua, es obtener nitrógeno del amoníaco residual extraído del agua durante el tratamiento.
«Recuperar el nitrógeno de las aguas residuales sería una alternativa deseable al proceso Haber-Bosch porque crea una ‘economía de nitrógeno circular'», dijo Patrick Gurian, Ph.D., profesor de la Facultad de Ingeniería que ayudó a dirigir la investigación, que fue publicado recientemente en la revista Science of the Total Environment .
«Esto significa que estamos reutilizando el nitrógeno existente en lugar de gastar energía y generar gases de efecto invernadero para recolectar nitrógeno de la atmósfera, lo cual es una práctica más sostenible para la agricultura y podría convertirse en una fuente de ingresos para las empresas de servicios públicos».
Una forma más limpia de limpiar
Bajo la Ley de Agua Limpia de 1972, las instalaciones municipales de tratamiento de agua han sido desafiadas a cumplir con los estándares de calidad del agua que descargan en las vías fluviales. Cada vez más, el amoníaco se considera una preocupación para los entornos acuáticos, ya que los niveles elevados de amoníaco pueden provocar un crecimiento excesivo de la vegetación en arroyos y ríos, lo que puede poner en peligro a las especies de peces. Las opciones para eliminar el amoníaco generalmente consumen tiempo y espacio y pueden ser tareas que consumen mucha energía.
Una opción que están explorando varias instalaciones en América del Norte y Europa es un proceso llamado desmontaje por aire. Elimina el amoníaco elevando la temperatura y el pH del agua lo suficiente como para convertir el químico en un gas, que luego se puede recolectar en forma concentrada como sulfato de amonio .
Pero decidir realizar la inversión para convertir a desmonte aéreo requiere un estudio complejo, llamado análisis del ciclo de vida, de su viabilidad tecnológica y financiera.
Explorando la opción
El equipo, dirigido por Gurian y Sabrina Spatari, Ph.D., del Technion Israel Institute of Technology, realiza regularmente estos análisis para hacer un balance del impacto ambiental y económico total de varias opciones para el reciclaje y la reutilización de residuos o productos secundarios. como soluciones sostenibles. Su análisis de este escenario de aguas residuales sugiere que existe una relación complementaria que podría resultar en un camino más sostenible tanto para los agricultores como para las autoridades de gestión del agua.
«Nuestro análisis identifica un potencial significativo para la mitigación ambiental y el beneficio económico de la implementación de la tecnología de extracción de aire en las plantas de tratamiento de aguas residuales para producir fertilizantes de sulfato de amoníaco», escribieron.
«Además de la producción de sulfato de amoníaco como producto comercializable, el beneficio de reducir la carga de amoníaco en la corriente lateral antes de que se recicle en la corriente de aguas residuales en la planta de tratamiento de aguas residuales proporciona una justificación adicional para adoptar la extracción con aire».
Usando datos de la planta de tratamiento de agua de Filadelfia y varias otras en América del Norte y Europa, el equipo realizó su evaluación del ciclo de vida y estudios de viabilidad económica. Examinaron factores que van desde el costo de instalación y mantenimiento de un sistema de extracción de aire hasta la concentración de amoníaco y el caudal de las aguas residuales; a las fuentes de energía utilizadas para impulsar el proceso de captación y conversión; al costo de producción y transporte y al precio de mercado de los fertilizantes químicos.
Resultados prometedores
Los resultados del análisis del ciclo de vida muestran que la extracción con aire emite de cinco a 10 veces menos gases de efecto invernadero que el proceso de producción de nitrógeno de Haber-Bosch y utiliza de cinco a 15 veces menos energía.
Desde una perspectiva económica, el costo total de producir fertilizantes químicos a partir de aguas residuales es lo suficientemente bajo como para que el productor pueda venderlos a un precio más de 12 veces más bajo que los químicos producidos por Haber-Bosch y aun así alcanzar el punto de equilibrio.
«Nuestro estudio sugiere que la recuperación de amoníaco puede ser rentable incluso a baja concentración», escriben. «Aunque la alta concentración de amoníaco es favorable para el medio ambiente y puede respaldar simultáneamente la producción marginal de sulfato de amonio con un menor impacto ambiental, en particular para la energía del ciclo de vida, las emisiones de gases de efecto invernadero y varios indicadores de salud humana y del ecosistema, en comparación con la producción de Haber-Bosch».
Además, el estudio sugiere que las instalaciones de tratamiento de agua pueden disfrutar de ahorros de energía eliminando el amoníaco con aire para reducir los niveles antes de que el agua vuelva a entrar en el proceso de tratamiento de residuos. Esto se debe a que reduciría el tiempo y el procesamiento necesarios para tratar el agua y encaja bien con los procesos de ablandamiento que ayudan a retardar la deposición química en la infraestructura de la planta de tratamiento.
Si bien el equipo reconoce que la separación por aire produciría fertilizante en cantidades más pequeñas que el proceso industrial Haber-Bosch, poder recolectar y reutilizar cualquier cantidad de recursos ayuda a mejorar la sostenibilidad de la agricultura comercial y evita que se conviertan en contaminantes del agua.
«Esto indica que la extracción de aire para la recuperación de sulfato de amonio podría ser una pequeña parte, pero un paso importante, hacia la recuperación y reutilización de la enorme cantidad de nitrógeno que usamos para sustentar la agricultura mundial», dijo Spatari.
«Y, significativamente, presenta una alternativa para la producción química que no tiene el mismo nivel de efectos nocivos para la salud humana y el medio ambiente que el proceso actual. Esta investigación sugiere que los proveedores de servicios de agua también podrían considerar invertir en tecnologías que capturarían fósforo y lo reciclarían». para uso agrícola”.
Más información: Saurajyoti Kar et al, Evaluación del ciclo de vida y análisis tecnoeconómico de la recuperación de nitrógeno mediante extracción de aire con amoníaco del tratamiento de aguas residuales, Science of The Total Environment (2022). DOI: 10.1016/j.scitotenv.2022.159499
