Spildevandsnæringsstoffer omdannet til ren gødning

Aalto Universitetets vand- og miljøteknologiske laboratorium afgiver et ubestrideligt snert af kloakken – og denne stank har sine rødder i en mislykket vestafrikansk genbrugsvirksomhed.

Mens han arbejdede i Ghana for tre år siden, postdoc-forsker Surendra Pradhan måtte erkende, at hans spildevandsforretning ikke gav mening.

"Genbrug er altid prisværdigt, men sjældent økonomisk rentabel. Vi lancerede flere projekter for at opdage, at det var overraskende svært at sælge vores produkt. Den gennemsnitlige landmand brugte ikke kompost, og der var få købere til især gylle, der indeholdt menneskeligt affald. Jeg kom endelig til den konklusion, at den mest fornuftige mulighed var at fremstille noget, som der allerede var et marked for."

At undslippe en meningsløs cyklus

Pradhan begyndte at forske i sagen og opdagede, at den bedste måde at udnytte spildevandsnitrogen på var at genvinde det i ammoniumsulfatform, som bruges i gødning og ikke indeholder restkemikalier og lægemidler, der ofte er til stede i gylle. Som en bonus, den samme proces kan genvinde et andet eutrofieringsmiddel, fosfor, som indtil nu har som nitrogen, mest været et problem, som spildevandsbehandlingsanlæg skal fjerne.

Traditionelt set det gødningskvælstof, der er nødvendigt til ammoniumsulfat, er fremstillet efter Haber-Bosch-metoden, en proces udviklet af tyske forskere for hundrede år siden, der omdanner atmosfærisk nitrogen til ammoniak. Processen kræver høje temperaturer og tryk, og er dermed noget af en frådser for energi:Fremstillingen af ​​gødningskvælstof tegner sig for anslået to procent af det globale energiforbrug.

Pradhan og hans forskerkolleger ved Aalto Universitetet udviklede en metode til opsamling af næringsstoffer, der leder spildevand ind i en reaktor, hvor dets pH-værdi hæves med calciumhydroxid, så vandets ammoniakholdige nitrogen omdannes til gasformig ammoniak. For sin del, ammoniakken separeres via en semipermeabel membran, hvorefter den opløses i svovlsyre for at danne ammoniumsulfat. Fosforen i vandet udfældes med calciumsalte og kan derefter udnyttes som gødning.

"Som calcium er, sammen med nitrogen og fosfor, det vigtigste næringsstof, der kræves til dyrkning af afgrøder i den sure jord i Finland, Brug af calcium-afledte stoffer til at hæve pH-niveauer øger ikke omkostningerne, fordi det bare ender med at blive en del af slutproduktet, " siger postdoc-forsker Anna Mikola.

Afprøvning af metoden begyndte med en mindre beholderversion og er nu udviklet til en lidt større reaktor. Resultaterne er lovende. Forsøg har formået at separere op til 99% af nitrogenet og 90-99% af fosforet i urinen, selvom metoden bruger betydeligt mindre energi og kemikalier end den almindeligt anvendte nitrifikation-denitrifikationsrensningsproces.

"I det nitrogen, hvis genvinding til gødningsform bruger en enorm mængde energi, er tabt for vinden. Processen tegner sig også for broderparten af ​​den energi, der kræves til vandrensning. Vores mål er at undslippe denne meningsløse cyklus, " siger Mikola.

Fra lille container til trailer og en pilot

En patentansøgning på metoden er i øjeblikket under behandling, men der er stadig et stykke vej, før det bliver taget i brug i industriel brug. Professor Riku Vahala siger, at holdet foretrækker at tage små skridt fremad i stedet for at trænge ind i en mur i fuld fart.

"Alt for ofte fører store forventninger til et direkte spring fra laboratoriet til fabrikken, som æder alle pengene og udhuler troen på hele teknologien. Vi går først fra en lille containerskala til en applikation i trailerstørrelse og, hvis alt går godt, vi vil være parate til at bygge et demonstrationsanlæg om to år."

Før dette, forskerne skal finde ud af, hvordan for eksempel, metoden arbejder med forskellige typer spildevand – den slags, der produceres af husholdninger, biogasanlæg og, sige, lystbådehavne er radikalt forskellige, trods alt. De næste forsøg skal udføres på rejektvand, der dannes i forbindelse med tørring af slam i Helsinki Region Environmental Services Authoritys Viikinmäki spildevandsbehandlingsanlægs slamfordøjelseskammer samt på Gasum biogasanlæg.

Den enorme betydning af vandbehandling bidrager til udfordringen.

"Når man behandler et problem, der har indflydelse på miljøet og menneskers sundhed, de involverede parter ønsker ikke at tage nogen chancer og foretrækker i stedet at bruge gamle velkendte metoder, selvom de er dyrere og mindre effektive, " opsummerer Vahala.

Den måde, hvorpå metoden vil blive integreret med driften på anlæg, er fortsat åben. Trenden i industrien er at fokusere stramt på kerneforretningen og, derfor, spildevandsrensning er ofte blevet outsourcet. Ud over, mange kommunale spildevandsanlæg har overdraget ansvaret for den videre behandling af slam til eksterne virksomheder. Pradhan, Mikola og Vahala mener, at når teknologien er færdig, den bedste måde at introducere det så bredt som muligt er via tredjeparter.

"Det giver ingen mening, at hvert stort eller lille affaldsbehandlingsanlæg også bliver en gødningssælger. Det ville være meget klogere for en eller flere virksomheder at kommercialisere vores teknologi, operationer og også det slutprodukt, det giver, " regner Mikola.

Godt for Østersøen

Metoden har andre positive miljøpåvirkninger ud over energibesparelser. Forskere vurderer, at genindvinding af næringsstoffer fra samfundets spildevand muliggør udskiftning af seks procent af industrielt produceret ammoniak-kvælstof og ti procent af fosfor, der bruges som gødning. På nuværende tidspunkt, gødning, fosfor udgraves fra miner, som truer med at løbe tør i løbet af det næste århundrede, medmindre genopretningen bliver mere effektiv. På behandlingssteder, imidlertid, fosfor ender i slam, som hovedsageligt bruges som vækstmedium for græs- og vejskulder, fordi fødevareproduktionsbestemmelser og imageproblemer hæmmer dets udnyttelse som afgrødenæringsstof.

Effektiv og økonomisk attraktiv genopretning ville også gavne Østersøen og andre vandsystemer i Finland. Fjernelsen af ​​fosfor fra samfundets spildevand er i god stand i Finland, men når det kommer til nitrogen, forskellene mellem behandlingsfaciliteter og lokaliteter er store. For det meste, Finsk lovgivning forpligter kun til at gennemføre øget kvælstoffjernelse i nitrogenfølsomme kystområder. selvom næringsstoffer kan rejse store afstande for at eutrofiere Østersøen. Kvælstoffjernelseskapaciteten i spildevandsbehandlingsanlæg kan også komme til kort fra tid til anden på grund af bølger af meget potent spildevand, der kommer fra biogasanlæg.

"Vi har også deltaget i forskellige Østersøbevaringsprojekter, som har afsløret, at nogle biogasanlæg i de baltiske lande, Østeuropa og Hviderusland frigiver urenset spildevand til vandvejene, hvorfra det strømmer nedstrøms ind i Østersøen, " siger Mikola ulykkeligt.

Økonomiske interesser og vækst i miljøbevidstheden lover godt for metodens eksportpotentiale. Vahala bemærker, at fremkomsten af ​​et marked for deres produkt også er stærkt afhængig af lovgivning.

"Hvis og når det dukker op, vi ønsker at være forberedte og bide på bit for at gå videre."