Forskere ved Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), har udviklet en innovativ solcelledrevet metode til at omdanne spildevandsslam -- et biprodukt af spildevandsbehandling -- til grønt hydrogen til ren energi og enkeltcelleprotein til dyrefoder.
Offentliggjort iNaturvand, slam-til-mad-og-brændstofmetoden tackler to presserende globale udfordringer: styring af affald og generering af bæredygtige ressourcer. Dette stemmer overens med NTU's mål om at tackle Humanitys største udfordringer, såsom klimaændringer og bæredygtighed.
De Forenede Nationer vurderer, at omkring 2,5 milliarder flere mennesker vil bo i byer i 2050. Sammen med væksten af byer og industrier kommer en stigning i spildevandsslam, som er berygtet vanskeligt at behandle og bortskaffe på grund af dens komplekse struktur, sammensætning og forurenende stoffer som tunge metaller og patogener.
Ifølge Un-Habitat genereres mere end 100 millioner ton spildevandsslam globalt hvert år, et beløb, der øges årligt. Imidlertid er almindelige bortskaffelsesmetoder -- såsom forbrænding eller deponering -- tidskrævende, energi-inteffektiv og bidrager til miljøforurening.
For at tackle problemet med uønsket og vanskeligt at behandle spildevandsslam skabte NTU-forskere en tretrins solcelledrevet proces, der integrerer mekaniske, kemiske og biologiske teknikker.
Proof-of-concept-test afslørede, at NTU-teamets proces er mere effektiv end konventionelle teknikker som anaerob fordøjelse --, gennem hvilken bakterier nedbryder organisk affald til at producere biogas og næringsrig rester. Det gendanner markant flere ressourcer, fjerner tungmetalforurenende stoffer, har et mindre miljøfodaftryk og giver bedre økonomisk gennemførlighed.
Lederforsker lektor Li Hong fra NTU's School of Mechanical and Aerospace Engineering (MAE) og Energy Research Institute sagde: "Vores metode omdanner affald til værdifulde ressourcer, hvilket reducerer miljøskader, mens den skaber vedvarende energi og bæredygtig mad. Dette eksemplificerer den cirkulære økonomi og bidrager til en grønere fremtid."
CO-Lead-forsker professor Zhou Yan fra NTU's School of Civil and Environmental Engineering (CEE) og Nanyang Environment and Water Research Institute (Newri) sagde: "Vores solcelledrevne proces demonstrerer, hvordan vi kan tackle flere udfordringer på én Ressourceknaphed, der tilbyder en ny bæredygtig strategi inden for spildevandshåndtering. "
NTUs tretrinsproces
Processen begynder med mekanisk nedbrydning af spildevandsslam. En kemisk behandling adskiller skadelige tungmetaller fra organiske materialer, herunder proteiner og kulhydrater.
Dernæst bruger en solcelledrevet elektrokemisk proces specialiserede elektroder til at omdanne de organiske materialer til værdifulde produkter, såsom eddikesyre -- en nøgleingrediens til fødevarer og farmaceutiske industrier -- og hydrogengas, en ren energikilde.
Endelig lysaktiveret BacteRiaintroduceres til den forarbejdede flydende strøm. Disse bakterier omdanner næringsstoffer til enkeltcelleprotein, der er egnet til dyrefoder.
Miljøvenlig, omkostningseffektiv og skalerbar
Labforsøg viste, at den nye metode gendanner 91,4 procent af det organiske kulstof i spildevandsslam og konverterer 63 procent af det organiske kulstof til enkeltcelleprotein uden at producere skadelige biprodukter. Til sammenligning gendanner og konverterer traditionel anaerob fordøjelse typisk omkring 50 procent af organiske materialer i spildevandsslam.
Den solcelledrevne proces opnår en energieffektivitet på 10 procent, hvilket genererer op til 13 liter brint i timen ved hjælp af sollys, hvilket er omkring 10 procent mere energieffektive end de konventionelle brintgenereringsmetoder.
NTU -processen reducerer kulstofemissioner med 99,5 procent og energiforbruget med 99,3 procent sammenlignet med traditionelle metoder. Det eliminerer også skadelige tungmetaller fra slammet, som ellers ville blive bortskaffet uden ordentlig behandling, hvilket gør processen til et miljøvenligt valg.
Den første forfatter, Dr. Zhao Hu, forskningsstipendiat ved School of Mae, sagde: "Vi håber, at vores foreslåede metode viser levedygtigheden af at styre affald bæredygtigt og skifte, hvordan spildevandsslam opfattes -- fra affald til en værdifuld ressource, der understøtter ren energi og bæredygtig fødevareproduktion."
NTU -forskerteamet tilføjede, at selvom den nyudviklede proces er lovende, er der behov for flere undersøgelser for at afgøre, om det kan skaleres op. En vigtig udfordring er omkostningerne ved at bruge en elektrokemisk proces til fuldstændigt at nedbryde organiske materialer og udtrække alle tungmetaller fra affald. Derudover tilføjer design af et komplekst system til et spildevandsrensningsanlæg til vanskeligheden.