Ученые из Наньянского технологического университета в Сингапуре (NTU Singapore) разработали инновационный метод с использованием солнечной энергии для преобразования осадка сточных вод — побочного продукта очистки сточных вод — в зеленый водород для получения чистой энергии и одноклеточный белок для корма для животных.

Опубликованный в Nature Water , метод переработки ила в еду и топливо решает две насущные глобальные проблемы: управление отходами и создание устойчивых ресурсов. Это соответствует цели NTU по решению самых серьезных проблем человечества, таких как изменение климата и устойчивое развитие.

По оценкам Организации Объединенных Наций, к 2050 году в городах будет проживать на 2,5 миллиарда человек больше. Наряду с ростом городов и промышленности увеличивается и количество осадка сточных вод , который, как известно, трудно перерабатывать и утилизировать из-за его сложной структуры, состава и загрязняющих веществ, таких как тяжелые металлы и патогены.

По данным ООН-Хабитат, в мире ежегодно образуется более 100 миллионов тонн осадка сточных вод, и это количество ежегодно увеличивается. Однако обычные методы утилизации, такие как сжигание или захоронение, требуют много времени, являются неэффективными с точки зрения энергии и способствуют загрязнению окружающей среды .

Для решения проблемы нежелательного и трудно поддающегося обработке осадка сточных вод исследователи NTU создали трехэтапный процесс на солнечной энергии, который объединяет механические, химические и биологические методы.

Испытания, подтверждающие концепцию, показали, что процесс команды NTU более эффективен, чем традиционные методы, такие как анаэробное сбраживание , посредством которого бактерии расщепляют органические отходы для производства биогаза и богатых питательными веществами остатков. Он восстанавливает значительно больше ресурсов, полностью удаляет загрязняющие вещества тяжелых металлов, имеет меньший экологический след и предлагает лучшую экономическую целесообразность.

Ведущий научный сотрудник, доцент Ли Хонг из Школы машиностроения и аэрокосмической техники (MAE) NTU и Института энергетических исследований NTU (ERI@N) сказал: «Наш метод преобразует отходы в ценные ресурсы, сокращая ущерб окружающей среде и создавая возобновляемую энергию и устойчивые продукты питания. Это пример круговой экономики и способствует более экологичному будущему».

Соруководитель исследования профессор Чжоу Янь из Школы гражданского и экологического строительства (CEE) NTU и Наньянского института исследований окружающей среды и водных ресурсов (NEWRI) сказал: «Наш процесс на солнечной энергии демонстрирует, как мы можем решать несколько задач одновременно — превращая сложные отходы в чистую энергию и питательный белок. Благодаря интеграции механических, химических и биологических подходов наш метод успешно решает проблемы загрязнения и дефицита ресурсов, предлагая новую устойчивую стратегию в управлении сточными водами».

Трехэтапный процесс

Процесс начинается с механического разрушения осадка сточных вод. Химическая обработка отделяет вредные тяжелые металлы от органических материалов, включая белки и углеводы.

Затем электрохимический процесс на солнечной энергии использует специализированные электроды для преобразования органических материалов в ценные продукты, такие как уксусная кислота — ключевой ингредиент для пищевой и фармацевтической промышленности — и водород — чистый источник энергии.

Наконец, в обработанный жидкий поток вводятся бактерии, активируемые светом. Эти бактерии преобразуют питательные вещества в одноклеточный белок, пригодный для корма животных.

Экологичный, экономичный и масштабируемый

Лабораторные испытания показали, что новый метод извлекает 91,4% органического углерода из канализационного ила и преобразует 63% органического углерода в одноклеточный белок, не производя вредных побочных продуктов. Для сравнения, традиционное анаэробное сбраживание обычно извлекает и преобразует около 50% органических материалов из канализационного ила.

Процесс с использованием солнечной энергии достигает энергоэффективности 10%, генерируя до 13 литров водорода в час с использованием солнечного света, что примерно на 10% более энергоэффективно, чем традиционные методы получения водорода.

Процесс NTU сокращает выбросы углерода на 99,5% и потребление энергии на 99,3% по сравнению с традиционными методами. Он также устраняет вредные тяжелые металлы из шлама, который в противном случае был бы утилизирован без надлежащей обработки, что делает процесс экологически чистым выбором.

Первый автор, доктор Чжао Ху, научный сотрудник Школы MAE, сказал: «Мы надеемся, что предложенный нами метод покажет жизнеспособность устойчивого управления отходами и изменит восприятие осадка сточных вод — от отходов к ценному ресурсу, который поддерживает чистое производство энергии и устойчивое производство продуктов питания».

Исследовательская группа NTU добавила, что хотя недавно разработанный процесс является многообещающим, необходимы дополнительные исследования, чтобы определить, можно ли его масштабировать. Ключевой проблемой является стоимость использования электрохимического процесса для полного разложения органических материалов и извлечения всех тяжелых металлов из отходов. Кроме того, проектирование сложной системы для очистных сооружений сточных вод усугубляет трудности.