13.03.2025
Ученые из Технологического университета Наньян в Сингапуре (NTU Singapore) разработали инновационный метод преобразования осадка сточных вод — побочного продукта очистки сточных вод — в «зеленый» водород для получения экологически чистой энергии и одноклеточный белок для корма животных.
Описанный в Nature Water метод переработки осадка в пищу и топливо решает две насущные глобальные проблемы: утилизацию отходов и производство возобновляемых ресурсов. Это соответствует цели NTU по решению важнейших проблем человечества, таких как изменение климата и устойчивое развитие.
По оценкам Организации Объединённых Наций, к 2050 году в городах будет проживать примерно на 2,5 миллиарда человек больше. Вместе с ростом городов и промышленности увеличивается количество сточных вод, которые, как известно, сложно перерабатывать и утилизировать из-за их сложной структуры, состава и загрязняющих веществ, таких как тяжёлые металлы и патогены.
По данным ООН-Хабитат, ежегодно в мире образуется более 100 миллионов тонн осадка сточных вод, и это количество ежегодно увеличивается. Однако распространённые методы утилизации, такие как сжигание или захоронение на полигонах, требуют много времени, неэффективны с точки зрения энергозатрат и способствуют загрязнению окружающей среды.
Чтобы решить проблему нежелательных и трудно поддающихся очистке сточных вод, исследователи NTU создали трёхэтапный процесс, работающий на солнечной энергии и объединяющий механические, химические и биологические методы.
Тестовые испытания подтвердили, что процесс, разработанный командой NTU, более эффективен, чем традиционные методы, такие как анаэробное сбраживание, при котором бактерии расщепляют органические отходы для получения биогаза и богатого питательными веществами остатка. Этот метод позволяет извлекать значительно больше ресурсов, полностью удалять загрязнения тяжёлыми металлами, оказывает меньшее воздействие на окружающую среду и является более экономически выгодным.
Ведущий исследователь, доцент Ли Хонг из Школы машиностроения и аэрокосмической инженерии NTU и Института энергетических исследований NTU, сказал: «Наш метод превращает отходы в ценные ресурсы, снижая ущерб окружающей среде и создавая возобновляемую энергию и экологичные продукты питания. Это пример экономики замкнутого цикла, который способствует более экологичному будущему».
Соруководитель исследования профессор Чжоу Янь из Школы гражданского и экологического строительства (CEE) Национального университета Сингапура и Научно-исследовательского института окружающей среды и водных ресурсов (NEWRI) сказал: «Наш процесс, работающий на солнечной энергии, демонстрирует, как мы можем решать сразу несколько проблем, превращая сложный побочный продукт в чистую энергию и питательный белок. Благодаря интеграции механических, химических и биологических подходов наш метод успешно решает проблемы загрязнения и нехватки ресурсов, предлагая новую устойчивую стратегию управления сточными водами».
Трехэтапный процесс
Процесс начинается с механического измельчения осадка сточных вод. Химическая обработка отделяет вредные тяжёлые металлы от органических веществ, включая белки и углеводы.
Затем в электрохимическом процессе, использующем солнечную энергию, специализированные электроды преобразуют органические материалы в ценные продукты, такие как уксусная кислота — ключевой ингредиент для пищевой и фармацевтической промышленности — и газообразный водород, экологически чистый источник энергии.
Наконец, в поток обрабатываемой жидкости 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 позволяет извлечь 91,4% органического углерода из осадка сточных вод и преобразовать 63% органического углерода в одноклеточный белок без образования вредных побочных продуктов. Для сравнения, при традиционном анаэробном сбраживании обычно извлекается и преобразуется около 50% органических веществ из осадка сточных вод.
Процесс, использующий солнечную энергию, обеспечивает энергоэффективность 10%, вырабатывая до 13 литров водорода в час с помощью солнечного света, что примерно на 10% эффективнее традиционных методов получения водорода.
Процесс NTU сокращает выбросы углекислого газа на 99,5%, а потребление энергии — на 99,3% по сравнению с традиционными методами. Он также удаляет из осадка вредные тяжёлые металлы, которые в противном случае пришлось бы утилизировать без надлежащей обработки, что делает этот процесс экологически безопасным.
Первый автор, доктор Чжао Ху, научный сотрудник Школы MAE, сказал: «Мы надеемся, что наш предложенный метод продемонстрирует жизнеспособность устойчивого управления отходами и изменит отношение к осадкам сточных вод — от отходов к ценному ресурсу, который поддерживает экологически чистую энергетику и устойчивое производство продуктов питания».
Исследовательская группа NTU добавила, что, хотя недавно разработанный процесс является многообещающим, необходимы дополнительные исследования, чтобы определить, можно ли масштабировать его. Ключевой проблемой является стоимость использования электрохимического процесса для полного разложения органических материалов и извлечения всех тяжёлых металлов из отходов. Кроме того, сложность заключается в разработке комплексной системы для очистки сточных вод.
Источник: Tech Xplore
