Eine nachhaltige Lösung

Von der University of Toronto, 3. Juni 2023

Forscher haben eine Methode entwickelt, um mithilfe einer speziell entwickelten Membran, die anorganische Partikel enthält, wertvolle Nährstoffe wie Phosphat und Ammonium aus Abwasser zu extrahieren und zurückzugewinnen. Die Forschung, die Abwasser als Ressource und nicht als Ärgernis darstellt, könnte potenziell zu einer Kreislaufwirtschaft beitragen, indem sie Materialien für die landwirtschaftliche Düngemittelproduktion bereitstellt und drohende Engpässe bei diesen Nährstoffen abmildert, die die globale Nahrungsmittelversorgung gefährden könnten.

Ph.D. im Ingenieurwesen der University of Toronto. Kandidatin Sara Abu-Obaid (ChemE) glaubt, dass ein grundlegender Wandel im Abwassermanagementsektor überfällig ist.

„Wir müssen dazu übergehen, Abwasser nicht mehr als lästig zu betrachten, sondern sein Potenzial als Ressource zu erkennen“, sagt sie. „Es kann uns mit Wasser, Nährstoffen, Energie und anderen wertvollen Dingen versorgen, die geerntet und genutzt werden können, um den Weg zu einer Kreislaufwirtschaft zu ebnen.“

Unter der Leitung von Professor Ramin Farnood (ChemE) ist Abu-Obaid Hauptautor einer Studie, die kürzlich in der Fachzeitschrift Chemical Engineering veröffentlicht wurde. Diese Forschung stellt eine umweltfreundliche Methode zur Extraktion von Phosphat und Ammonium aus Abwasser vor und ermöglicht gleichzeitig die Wiederverwendung dieser Nährstoffe in der Zukunft.

Ihre neue Methode nutzt fortschrittliche Membranen mit anorganischen Partikeln zur Aufnahme von Phosphat und Ammonium aus Abwasser. Durch die kostengünstige Rückgewinnung dieser Stoffe schafft das Verfahren eine neue Materialquelle, die von Herstellern landwirtschaftlicher Düngemittel genutzt werden kann.

Gebrauchtes Wasser aus Bade-, Toiletten-, Wäsche- und anderen Quellen fließt über Abflüsse in die Kanalisation, die zu Kläranlagen führt, wo es gereinigt wird, sodass es sicher und ohne Auswirkungen auf die Umwelt in die Natur eingeleitet werden kann.

Zu den Hauptzielen des Behandlungsprozesses gehört die Entfernung von Feststoffen, organischem Material, Krankheitserregern und Nährstoffen, beispielsweise solchen, die aus Haushaltsprodukten und Ausscheidungen stammen – Abfallstoffen, die vom Körper ausgeschieden werden. Zu diesen Nährstoffen zählen Phosphat und Ammonium, zwei wesentliche Bestandteile landwirtschaftlicher Düngemittel.

Sara Abu-Obaid (ChemE-Doktorandin) hat eine neue Lösung entwickelt, die Membranen mit anorganischen Partikeln verwendet, um wertvolle Nährstoffe aus Abwasser zurückzugewinnen. Bildnachweis: Safa Jinje

Während Phosphor für das Gedeihen des Pflanzenlebens unerlässlich ist, kann eine zu große Menge der Chemikalie zu Eutrophierung führen. Dieser komplexe Prozess beginnt, wenn eine Umgebung übermäßig mit Nährstoffen angereichert wird, was zu einem explosionsartigen Wachstum des Algenwachstums führt. Diese schädlichen Algenblüten verringern die Sauerstoffverfügbarkeit im Wasser und schaffen „tote Zonen“, in denen Wasserorganismen ersticken. Auch eine langfristige Exposition gegenüber Ammonium kann für Wasserlebewesen giftig sein.

Aktuelle Abwasseraufbereitungsanlagen verfügen über etablierte Verfahren zur Entfernung von Phosphat und Ammonium während des Aufbereitungsprozesses. Typischerweise wird das Phosphat durch eine chemische Behandlung in eine feste Form umgewandelt, die sich am Grund des Gewässers absetzt, wo es dann als Schlamm gesammelt und auf einer Deponie entsorgt wird. Ammonium wird traditionell durch biologische Behandlung entfernt, wobei Bakterien es verbrauchen und in Nitrat und dann in Stickstoffgas umwandeln.

„Dies sind zwei hochwertige Produkte, die Schlüsselbestandteile von Düngemitteln sind, aber aktuelle Abwasseraufbereitungsprozesse behandeln diese Nährstoffe als Abfall“, sagt Abu-Obaid.

„Meine Lösung besteht darin, dem Wasser die Nährstoffe vollständig zu entziehen und es so als Quelle für die Düngemittelproduktion zu nutzen.“

Viele Wissenschaftler haben gewarnt, dass der derzeitige Phosphorverbrauch in der Landwirtschaft zu kritischen Engpässen führen könnte, die die Nahrungsmittelversorgung weltweit beeinträchtigen würden. Abu-Obaids neue Methode könnte dazu beitragen, die Versorgung zu verbessern, indem sie Abwasser in eine brauchbare Quelle dieser Nährstoffe verwandelt.

Während viele Membranen zur Wasserfiltration auf sorgfältig gestalteten Poren basieren, um ihre Zielstoffe aus dem Wasser zu filtern, ist Abu-Obaids Ansatz anders. Ihre Membran enthält winzige Partikel aus Akaganeit und Zeolith 13X mit hoher Affinität zur Phosphat- und Ammoniumadsorption.

„Wir beseitigen nicht die Dinge, die wir durch Größenausschluss oder durch die Ausübung großen Drucks beseitigen wollen“, sagt Abu-Obaid. „Vielmehr sind es die Partikel innerhalb der Membran, die für die Entfernung sorgen, und es ist die Aufgabe der Membran, sie an Ort und Stelle zu halten.“

Während die Partikel ihre Aufgabe selbst erledigen könnten, liegt laut Abu-Obaid die Schwierigkeit darin, sie aus dem Abwasser zu entfernen, und in der Angst, dass sie auslaugen könnten. Die Verwendung einer Membran zur Fixierung eröffnet die Möglichkeit eines zweiphasigen Betriebs: Zunächst adsorbieren die Partikel Ammonium und Phosphat aus dem Abwasser, dann werden die Membranen mit einer Natronlauge gewaschen, um gleichzeitig die Nährstoffe zurückzugewinnen und die Partikel zu regenerieren .

In der Studie waren die Membranen in der Lage, Phosphat- und Ammoniumionen unter dynamischen Wasserströmungsbedingungen einzufangen, was zur Entfernung von 84 % Ammonium und 100 % Phosphat aus synthetischem Abwasser führte – selbst in Gegenwart anderer konkurrierender Ionen.

Während Abu-Obaid glaubt, dass ihre Experimente gezeigt haben, dass die Methode großes Potenzial für diese Anwendung hat, sieht sie Bedarf für weitere Studien, um Designüberlegungen für die groß angelegte Anwendung solcher Systeme zu untersuchen.

„Dies ist eine nicht-traditionelle Anwendung der Membrantechnologie, die häufiger für die Größenausschlussfiltration eingesetzt wird“, sagt sie.

„Es kann auch schwierig sein zu rechtfertigen, warum wir diese Technologie nutzen, um Nährstoffe zurückzugewinnen, die noch nicht so knapp sind, dass die derzeitigen Lieferketten gefährdet sind. Aber wir glauben, dass wir davon profitieren können, wenn wir der Sache einen Schritt voraus sind und potenzielle nachhaltige Quellen dafür erschließen.“ Zukunft."

Bis dahin hofft Abu-Obaid, dass diese neue Lösung zusammen mit anderen innovativen Technologien zur Rückgewinnung von Nährstoffen aus Abwasser mehr Unterstützung finden wird.

„Wir brauchen weitere technisch-ökonomische Studien, Langzeitstabilität und Pilotstudien, um den Nutzen dieser Technologie für die Schaffung einer nachhaltigeren Zukunft für die Abwasserbewirtschaftung zu demonstrieren“, sagt sie.

Referenz: „Adsorptive Membranen zur Nährstoffrückgewinnung aus Abwasser: Eine neuartige Lösung für Herausforderungen bei der Wasserreinigung“ von Sara Abu-Obaid, Shahram Tabe, Mohtada Sadrzadeh und Ramin R. Farnood, 18. April 2023, Chemical Engineering Journal.DOI: 10.1016/j. cej.2023.143057