Цены на минеральные удобрения растут. Институт межфазной инженерии и биотехнологий им. Фраунгофера (IGB) работает над альтернативными методами производства: исследователи разработали различные процессы и продемонстрировали их в пилотном масштабе для извлечения питательных веществ из местных отходов. Готовые к немедленному использованию удобрения можно получать из отходов анаэробного сбраживания, навоза и сточных вод, как покажет институт на выставке IFAT в Мюнхене в начале мая. Такой циклический подход укрепляет безопасность поставок и защищает водные ресурсы и климат.
Война в Иране приводит не только к росту цен на бензин и керосин. Цены на удобрения уже выросли на 30%, что в обозримом будущем повлияет и на цены на продукты питания. Это связано с тем, что не только газ и нефть, но и почти 30% всех азотсодержащих и фосфорсодержащих минеральных удобрений, продаваемых в мире, транспортируются через Ормузский пролив. Азотсодержащие синтетические удобрения, такие как аммиак и мочевина, производимые из него, изготавливаются в странах Персидского залива с использованием природного газа. В этом процессе молекулярный атмосферный азот (N₂) под высоким давлением и при высоких температурах превращается в аммиак (NH₃).
Институт межфазной инженерии и биотехнологий им. Фраунгофера (IGB) с 4 по 7 мая на выставке IFAT в Мюнхене продемонстрирует, что удобрения можно производить и без использования ископаемого топлива. Исследователи изучают способы извлечения азота и фосфора из богатых питательными веществами отходов. Они разработали различные методы переработки необходимых минеральных солей из жидкого навоза, дигестата или сточных вод в удобрения, которые можно использовать непосредственно.
Переработка навоза по новой технологии
Особенно высокие концентрации питательных веществ обнаруживаются в сельскохозяйственных отходах — жидком навозе от животноводства и дигестате от биогазовых установок, а также в муниципальных сточных водах. «Только в животноводстве ежегодно в ЕС выбрасывается такое количество азота и фосфора, которое достаточно для удовлетворения европейских потребностей в минеральных удобрениях», — объясняет д-р Бригитте Кемптер-Регель, руководитель отдела развития бизнеса в подразделении Greentech Solutions Института Фраунгофера IGB.
Однако во многих местах навоз и дигестат — ценные сельскохозяйственные удобрения — больше нельзя вносить в поля. Особенно в районах с интенсивным животноводством или высокой плотностью биогазовых установок существует риск переизбытка удобрений в почве и, как следствие, дальнейшего загрязнения грунтовых и поверхностных вод. Из-за высокого содержания воды (80–90%) транспортировка этих материалов крайне нецелесообразна. Одним из решений является извлечение питательных веществ, таких как азот и фосфор.
На очистных сооружениях эти питательные вещества уже удаляются в соответствии с нормативными требованиями и для предотвращения эвтрофикации водоемов. Однако обычно это не процесс восстановления. Вместо этого ценные фосфаты осаждаются в виде небиодоступных солей алюминия или железа, а аммонийный азот преобразуется через нитрат в молекулярный азот с помощью биологических процессов, которые затем выбрасываются в атмосферу. Для этого резервуары должны быть хорошо аэрированы, что требует огромных затрат энергии. Кроме того, эти процессы часто выделяют закись азота, парниковый эффект которой в 265 раз сильнее, чем у CO₂.
Один из подходов, приносящих пользу сельскохозяйственным производителям и очистным сооружениям, а также окружающей среде и климату, заключается в извлечении питательных веществ в форме, пригодной для непосредственного использования в качестве удобрения. С этой целью Институт Фраунгофера IGB совместно со своими партнерами по проекту BioEcoSIM внедрил на пилотной установке многоступенчатый процесс, позволяющий перерабатывать навоз и дигестат в аммонийные удобрения, фосфорные удобрения и органические почвоулучшители.
Сам процесс обработки начинается с подкисления навоза или дигестата для полного растворения фосфора в водной фазе. Затем, посредством многоступенчатой фильтрации, субстрат разделяется на жидкую и твердую фракции. Из жидкой фазы, содержащей растворенные неорганические питательные вещества, фосфор сначала осаждается в виде фосфатных солей. На втором этапе растворенный азот извлекается и отделяется в виде раствора сульфата аммония с помощью мембранной абсорбции.
Обезвоженную твердую фракцию можно либо компостировать, либо высушить. «При переработке в компактные органические почвоулучшители продукт может компенсировать потерю органического вещества почвы и использоваться в качестве заменителя торфа», — подчеркивает Кемптер-Регель. Полученную воду также можно использовать повторно, например, для орошения или в качестве промывочной воды.
Для дополнительного производства энергии и, следовательно, повышения экономической эффективности, в процесс можно интегрировать биогазовую установку на этапе подготовки сырья. Это позволяет метаболизировать и, таким образом, удалять даже вещества с сильным запахом, содержащиеся в сыром навозе.
«В рамках текущего проекта мы разработали математическую модель процесса BioEcoSIM с использованием биогазовой установки на начальном этапе и откалибровали ее, используя данные измерений для различных этапов процесса», — объясняет Михаэль Бон, который занимается дальнейшим развитием процесса извлечения питательных веществ в Институте Фраунгофера IGB.
Это позволяет прогнозировать экономическую эффективность процесса в различных условиях, когда, например, повышение цен на синтетические удобрения оказывает немедленное воздействие.
Переработка азота и фосфора из сточных вод
Процесс мембранной абсорбции, используемый при обработке навоза и дигестата для получения сульфата аммония, также был продемонстрирован для рециркуляции питательных веществ на очистных сооружениях, в частности, в рамках проекта «RoKKa», финансируемого Министерством окружающей среды, защиты климата и энергетического сектора Баден-Вюртемберга и Европейским союзом. Концентрация аммония в фильтрате после обезвоживания осадка снизилась на 90%. Измерения также показали, что извлечение аммония привело к снижению выбросов закиси азота.
В RoKKa мембранный процесс использовался после модуля ePhos, также разработанного в институте. «В этом процессе фосфор осаждается исключительно электрохимическим путем — без добавления химических веществ — в виде фосфата магния-аммония, долгосрочного фосфорного удобрения, также известного как струвит», — объясняет Бон. Необходимый для этого магний добавляется в электролитической ячейке через жертвенный магниевый анод, который расходуется в ходе дальнейшего процесса.
Переработка питательных веществ укрепляет безопасность водоснабжения, защиту водных ресурсов и климатическую безопасность.
Преимущества региональной системы рециркуляции питательных веществ очевидны в условиях геополитической нестабильности. «Сточные воды с очистных сооружений, навоз из сельского хозяйства и дигестат с биогазовых установок надежно доступны на местном уровне, что снижает зависимость от международных цепочек поставок и укрепляет местную экономику», — утверждает Кемптер-Регель.
Извлечение питательных веществ из этих сточных вод помогает снизить нагрузку на очистные сооружения и биогазовые установки, а также позволяет получать бедные питательными веществами водные потоки, которые можно использовать повторно, тем самым снижая потребление пресной воды. Кроме того, экономится значительное количество ископаемой энергии и сокращаются выбросы закиси азота — эффективный вклад в борьбу с быстро ускоряющимся глобальным потеплением.
Новые бизнес-модели для раскрытия потенциала
В сельскохозяйственном секторе наблюдается большой интерес к децентрализованным технологиям переработки навоза и дигестата с целью повышения добавленной стоимости. Помимо бизнес-моделей, в рамках которых крупные компании управляют предприятиями по переработке отходов, также возможны кооперативы заинтересованных фермеров.
«Фермеры получают выгоду не только от восстановления питательных веществ. Прежде всего, они получают продукцию, которую можно хранить и транспортировать, а также легко применять обедненные питательными веществами остатки навоза», — говорит Кемптер-Регель.
Инвестиционные затраты со временем окупятся за счет экономии на утилизации отходов и расходах на удобрения, а также за счет получаемой выручки. Очистные сооружения, в свою очередь, как операторы предприятий, занимающихся производством удобрений, могли бы заключать партнерские соглашения с промышленностью для вывода своей продукции на рынок.
Источник: Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB. Автор: Клаудия Ворбек.
На фото: фосфор, извлеченный в виде фосфатных солей из богатых питательными веществами отходов, таких как сточные воды, жидкий навоз или дигестат. Источник фото: Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB.