Experte entwickelt nachhaltige Lösung zur Entfernung von Phosphat und Ammonium aus Abwasser

Sara Abu-Obaid glaubt, dass der gesamten Abwasserwirtschaft ein Paradigmenwechsel bevorsteht. Der Doktorand in Chemieingenieurwesen und angewandter Chemie an der Fakultät für angewandte Wissenschaft und Ingenieurwesen der University of Toronto ist auf die Membranherstellung für die Abwasserbehandlung spezialisiert, mit einem Schwerpunkt auf Wasserwiederverwendung und Ressourcenrückgewinnung. „Wir müssen dazu übergehen, Abwasser nicht mehr als störend zu betrachten ihr Potenzial als Ressource zu erkennen“, sagt sie. „Es kann uns mit Wasser, Nährstoffen, Energie und anderen Wertgegenständen versorgen, die geerntet und genutzt werden können, um den Weg zu einer Kreislaufwirtschaft zu ebnen.“ Abu-Obaid, der von Ramin Farnood, dem Vizedekan für Forschung der Fakultät und Professor in der Abteilung für Chemieingenieurwesen und angewandte Chemie, betreut wird, ist der Hauptautor eines neuen Artikels, der im Chemical Engineering Journal veröffentlicht wurde. Die Studie stellt eine nachhaltige Lösung zur Entfernung von Phosphat und Ammonium aus Abwasser vor, sodass die Nährstoffe für die zukünftige Verwendung zurückgewonnen werden. 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, organischen Stoffen, Krankheitserregern und Nährstoffen, beispielsweise solchen, die aus Haushaltsprodukten stammen, und Ausscheidungen – Abfallstoffe, die vom Körper ausgeschieden werden. Zu diesen Nährstoffen zählen Phosphat und Ammonium, zwei wesentliche Bestandteile landwirtschaftlicher Düngemittel. Während Phosphor für das Gedeihen des Pflanzenlebens unerlässlich ist, kann eine zu große Menge der Chemikalie zur Eutrophierung führen – ein komplexer Prozess, der 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 den Mineralien Akaganeit und Zeolith 13X (eine Art Molekularsieb) mit hoher Affinität zur Phosphat- und Ammoniumadsorption (wobei ein Feststoff Moleküle eines gelösten Stoffes als dünnen Film hält). „Wir entfernen das nicht.“ Dinge, die wir durch Größenausschluss oder durch die Anwendung 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 Prozent Ammonium und 100 Prozent Phosphat aus synthetischem Abwasser führte – selbst in Gegenwart anderer konkurrierender Ionen. Während Abu-Obaid glaubt, dass ihre Experimente gezeigt haben, dass die Methode ein großes Potenzial für diese Anwendung hat, sieht sie einen Bedarf an weiteren 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.