Chi phí xử lý nước thải ô nhiễm nitơ có thể giảm bớt trong tương lai nhờ phương pháp xử lý nước thải thân thiện với môi trường dựa trên mô hình toán học. Các nhà khoa học đất ở Trung tâm Nghiên cứu môi trường Helmholtz (UFZ) đã triển khai một mô hình toán học mới có thể giúp xác định các điều kiện tối ưu cho xử lý nước thải theo phương pháp sinh học.
Sử dụng một nguyên tố đồng vị ổn định trong tự nhiên là nitơ 15 (15N), mô hình toán học cho đến nay được xem là mô hình chính xác nhất, lần đầu tiên có thể tính chính xác lượng N2 sinh ra từ quy trình xử lý sinh hóa phức tạp đối với quá trình oxi hóa amoni trong điều kiện kị khí, khử nitơ và xác định nồng độ nền của chúng trong khí quyển. Do đó, trong tương lai, hiệu quả của các trạm xử lý nước thải kiểu như trên sẽ được cải thiện đáng kể và tránh được phát thải khí nhà kính dạng N2O (sản phẩm phụ của của quá trình khử nitơ).
Nông nghiệp là một trong những nguồn chính phát thải khí nhà kính N2O do sử dụng quá mức các chất dinh dưỡng có nguồn gốc nitơ. Ôxit nitơ N2O ít được biết đến hơn, nhưng giống như khí nhà kính CO2, nó giữ vai trò quan trọng trong biến đổi khí hậu. Mặc dù nồng độ CO2 trong khí quyển cao gấp khoảng 1000 lần so với ôxit nitơ nhưng oxit nitơ lại là chất khí mạnh gấp 300 lần xét về hiệu ứng khí nhà kính. Sự gia tăng nồng độ N2O trong khí quyển một phần do đốt các loại nhiên liệu hóa thạch, một phần lớn lượng phát thải N2O từ hoạt động của con người do sử dụng quá mức các chất dinh dưỡng có nguồn gốc nitơ.
Trong Chỉ thị Khung về Nước của châu Âu (WFD) có yêu cầu phải giảm các chất dinh dưỡng chứa nitơ trong các thủy vực nhằm tránh sử dụng tối đa các loại phân đạm trong nông nghiệp và đồng thời yêu cầu cải tiến các công nghệ xử lý nước thải.
Trong các thử nghiệm xử lý nước thải bị nhiễm nitơ vào những năm 90, quy trình xử lý sinh học có khả năng phá vỡ các thành phần chính của chất ô nhiễm nitơ trong nước thải (gồm amon và nitrat) trong điều kiện hiếu khí. Sản phẩm cuối cùng là phân tử nitơ trung tính thân thiện với môi trường.
Việc sử dụng quy trình này để làm sạch nước thải bị ô nhiễm nitơ có thể là giải pháp tương lai cho xử lý nước thải đô thị không gây biến đổi khí hậu. Ngoài ra, khác với các quy trình xử lý nhờ vi khuẩn hiện nay, quy trình xử lý sinh hóa kị khí anammox không phụ thuộc vào các chất dinh dưỡng dạng hữu cơ, vì vậy sẽ giảm chi phí xử lý.
Tuy nhiên, để triển khai có hiệu quả các hệ thống xử lý nước thải, lần đầu tiên hai nhà khoa học về thổ nhưỡng là Oliver Spott và Florian Stange ở UFZ đã thành công trong phát triển mô hình toán mới có thể tính toán chính xác lượng N2 từ anammox trong quá trình khử nitơ và trong khí quyển.
Mô hình này dựa trên phân tích đồng vị ổn định và trong tương lai có thể dùng để tạo ra các điều kiện tối ưu trong phương pháp xử lý vi sinh đối với nước thải ô nhiễm nitơ bằng quy trình anammox. Về lâu dài, phương pháp này cũng sẽ có thể giúp giảm chi phí xử lý nước thải, tăng hiệu quả và tránh được các phát thải N2O.
Sử dụng kỹ thuật đồng vị 15N và cách tiếp cận toán học mới, hiện nay các nhà khoa học đã có thể tính chính xác lượng N2 phát thải từ đất trong cả hai quá trình – khử và khử đồng thời nitơ. Kết quả nghiên cứu gần đây nhất của hai nhà khoa học người Anh đã đưa ra kết luận ngạc nhiên: 92% lượng N2 giải phóng nhờ vi khuẩn có thể là do quá trình khử nitơ đồng thời. Nếu các kết qủa ban đầu này được củng cố và mở rộng trên các loại đất khác trên thế giới thì sẽ tạo ra sự thay đổi hoàn toàn sự hiểu biết của chúng ta hiện nay về các phát thải N2 từ đất.
