Муниципальные очистные сооружения выбрасывают в атмосферу почти вдвое больше метана, чем считалось ранее, согласно новому исследованию Принстонского университета. А поскольку метан нагревает планету в 80 раз сильнее, чем углекислый газ за 20 лет, это может стать большой проблемой.

"Сектор отходов является одним из крупнейших антропогенных источников метана в мире", - сказал Марк Зондло, профессор гражданского и экологического строительства и ассоциированный преподаватель Андлингерского центра энергетики и окружающей среды. "Поскольку города продолжают урбанизировать и разрабатывать планы нетто-нулевого развития, они не могут игнорировать сектор очистки жидких сточных вод".

Зондло возглавил одно из двух новых исследований по этому вопросу, о которых сообщается в статьях, опубликованных в журнале Environmental Science & Technology. В одном исследовании проводились наземные измерения выбросов метана на 63 станциях очистки сточных вод в США; в другом использовались методы машинного обучения для анализа опубликованных в литературе данных исследований мониторинга метана в различных процессах сбора и очистки сточных вод по всему миру.

"Не так много людей изучали выбросы метана, связанные с инфраструктурой сточных вод, хотя мы знаем, что это горячая точка для производства метана", - сказал З. Джейсон Рен, возглавлявший второе исследование. Рен - профессор гражданского и экологического строительства и Центра энергетики и окружающей среды Андлингера.

Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) разработала рекомендации, которые позволяют исследователям и таким учреждениям, как Агентство по охране окружающей среды США (EPA), оценивать выбросы метана на станциях очистки сточных вод на основе их конкретных процессов очистки. Однако эти рекомендации были разработаны на основе ограниченных измерений на относительно небольшом количестве очистных сооружений.

Когда исследователи использовали мобильную лабораторию Принстонского эксперимента по химии атмосферы (PACE) для количественной оценки общезаводских выбросов путем измерения шлейфов 63 очистных сооружений на восточном побережье и в Калифорнии, они обнаружили, что рекомендации МГЭИК постоянно недооценивают очистные сооружения всех размеров и процессов очистки.

Если результаты, полученные на этих 63 станциях, являются репрезентативными, то фактические выбросы метана от очистных сооружений по всей территории США будут примерно в 1,9 раза больше, чем оценки выбросов, полученные с использованием существующих рекомендаций МГЭИК и EPA, что означает, что эти рекомендации недооценивают выбросы метана, эквивалентные 5,3 миллионам метрических тонн двуокиси углерода.

Интересно, что исследовательская группа, которая провела второе независимое исследование по анализу литературных данных о выбросах метана, пришла к аналогичному выводу: предполагаемые выбросы метана при очистке муниципальных сточных вод в США примерно вдвое превышают то, что предсказывают существующие рекомендации.

"Мы смогли показать, используя два различных подхода, что выбросы метана представляют собой гораздо большую проблему для сектора сточных вод, чем считалось ранее", - сказал Рен.
Обычные подозреваемые в выбросах метана в сточных водах

Исследователи считают, что поскольку руководящие принципы МГЭИК были разработаны на основе ограниченных измерений на небольшом количестве очистных сооружений, они могут неточно отражать различия в выбросах, которые существуют между предприятиями.

"Руководящие принципы предполагают определенный уровень эффективности систем очистки сточных вод, который может отсутствовать на каждом предприятии", - сказал Дэниел Мур, первый автор исследования прямых измерений и аспирант кафедры гражданского и экологического строительства. Он указал на утечки и неэффективное оборудование, которые могут оставаться незамеченными на станциях очистки сточных вод, но могут привести к значительным выбросам парниковых газов.

Куихонг Сонг, первый автор критического обзора и постдокторский исследователь в области гражданского и экологического строительства в Принстоне, сказал, что очистные сооружения, оснащенные анаэробными метантенками, являются одними из самых больших утечек метана.

Анаэробные метантенки - это герметичные емкости, содержащие анаэробные микробы, которые работают без кислорода, расщепляя осадок сточных вод или твердые отходы и производя в процессе биогаз, богатый метаном. Этот метан можно использовать для выработки тепла или электричества для питания других аспектов процесса очистки.

Но при неэффективной работе анаэробных метантенков утечки и повышение давления могут привести к утечке метана в виде летучих выбросов. "Если метантенк не является газонепроницаемым, то в итоге можно получить высокие выбросы метана", - сказал Сонг. Исследователи обнаружили, что заводы с анаэробными метантенками выбрасывают более чем в три раза больше метана, чем заводы без метантенков.

Повышенные выбросы от анаэробных метантенков могут стать серьезной проблемой: хотя очистные сооружения, оборудованные анаэробными метантенками, составляют менее 10% всех очистных сооружений в США, большинство из них - крупные предприятия, которые в совокупности очищают около 55% сточных вод в стране.

"Много денег уходит на снижение выбросов при внедрении этих метантенков, потому что теоретически это закрытые системы. Когда они работают правильно, вы можете централизовать метан в одном месте", - добавил Мур. "Именно неэффективность и утечки являются причиной многих проблем".

Наряду с анаэробными метантенками, критический обзор показал, что выбросы метана из канализационных систем вносят значительный вклад в общенациональные выбросы метана. Однако существующие рекомендации в основном не учитывают летучие выбросы метана из канализационных систем, которые, по мнению исследователей, важно учитывать в будущих кадастрах парниковых газов.

"В США более миллиона миль канализационных труб, заполненных богатыми органическими веществами, которые могут быть причиной выбросов метана, но у нас очень слабое понимание их масштабов", - сказал Рен.
Лучший мониторинг, лучшие рекомендации

В настоящее время исследователи работают с партнерами над составлением перечня и методологии, которые позволят руководителям предприятий легко контролировать выбросы метана. Определив источники в процессе очистки сточных вод, которые выделяют наибольшее количество метана, их работа может также послужить основой для усилий по снижению летучих выбросов.

"Метан имеет короткий срок жизни в атмосфере, поэтому если мы сможем перекрыть поток выбросов по всей стране, вклад метана в потепление быстро уменьшится", - сказал Мур. "Через десять лет нам не придется так сильно беспокоиться о метане".

Рен добавил, что метан, образующийся в результате таких процессов, как анаэробное сбраживание, также служит ценным источником энергии. "Выявив и уменьшив летучие выбросы метана, мы получим двойную выгоду", - сказал он. "Мы сократим выбросы парниковых газов в ближайшей перспективе и максимизируем количество метана, который мы можем извлечь из процесса очистки сточных вод".

Тем не менее, необходимо провести дополнительную работу по мониторингу выбросов метана в различных временных масштабах от очистных сооружений и канализационных сетей различных размеров и процессов очистки.

Например, лишь немногие исследования проводили долгосрочный непрерывный мониторинг выбросов метана на очистных сооружениях, несмотря на то, что уровень выбросов может меняться ежедневно или даже сезонно, будучи в целом выше весной и летом, чем зимой. "В конечном итоге нам необходим полный учет выбросов от станций в разных временных масштабах", - сказал Зондло. Он добавил, что предварительный анализ последующих измерений с дополнительных растений в разное время года подчеркнул важность понимания сезонных изменений в выбросах.

В то же время исследователям необходимо разработать более совершенные методы отбора проб для изучения выбросов из труднодоступных мест, таких как канализация, поскольку диффузный характер канализационных сетей наряду с высоким уровнем влажности затрудняет получение точной картины выбросов с помощью существующих методик.

Преодолев эти препятствия и продолжив работу по мониторингу, исследователи могут внести свой вклад в более широкие усилия по созданию обновленных руководящих принципов, позволяющих лучше оценить выбросы метана в секторе сточных вод.

"Многие агентства признают, что выбросы метана из сектора сточных вод важно изучать", - сказал Рен. "Это исследование - не просто отчет о наших собственных результатах. Мы повторяем то, что заметило более широкое исследовательское сообщество и определило как существенный пробел в знаниях".