Инженеры Вашингтонского университета в Сент-Луисе (частного учебно-исследовательского центра) в США представили многообещающий способ обработки твердого ила из сточных вод, чтобы восстановить из них фосфор – основу для ценных удобрений. Об этом сообщает научный портал Eurekalert. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Фосфор, который сегодня поступает в основном из невозобновляемых запасов фосфоритов, нередко попадает в коммунальные сточные воды. В лучшем случае водоочистные сооружения изолируют около 90% этого фосфора в «шламе» – твердом илистом осадке, а затем разлагают этот осадок на так называемый «дигестат».
Многие исследователи по всему миру работают над созданием экологичного цикла повторного использования фосфора из сточных вод, но токсичные соединения в дигестате ограничивают возможность его переработки в качестве удобрения, а восстановить фосфор непосредственно из твердых субстанций крайне сложно.
«Существующие технологии извлечения фосфора в основном нацелены на жидкость. Ил содержит намного больше фосфора по сравнению с жидкостью, и мы задумались над тем, как можно его восстановить. Фосфор представляет большой интерес, потому что это ограниченный ресурс, и потенциально дает возможность сэкономить много денег», – рассказал Чжэнь (Джейсон) Хе, профессор Инженерной школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе (WUSTL).
Его лаборатория разрабатывает технологии для повторного использования ресурсов, получаемых из сточных вод. Недавно ученые исследовали использование электрохимических устройств для расщепления молекул воды и извлечения твердого, пригодного для использования фосфора из дигестата. Это была первая попытка одновременно удалить и восстановить фосфор из твердых бытовых отходов без добавления химикатов, и она достигла своей цели с удивительной эффективностью.
Профессор Хе, а также его аспиранты Цзысюань Ван, Даран Ананд и Фубин Лю, проанализировали способы, которыми электрохимические устройства могут удалять фосфор. «Выщелачивание» происходит, когда электрический ток, протекающий через анодную сторону электрода, подкисляет окружающую его суспензию. Но сам по себе этот процесс довольно затратен и не решает более широкой проблемы – восстановления фосфора.
Для цели совмещать удаление и восстановление фосфора в одном электрохимическом устройстве потребовалась иная идея. Она заключалась в том, чтобы иметь две камеры, которые работают при разных уровнях pH. Шлам поступает в анодную камеру, в которой ток разделяет фосфат на жидкий раствор. Далее обогащенная фосфором жидкость переносится в менее кислую среду катодной камеры, где свободно плавающие фосфаты, кальций и железо из исходного ила должны соединиться в беловатые твердые вещества, выпадающие в осадок на дно.
Чтобы протестировать свой прототип, научная группа Хэ получила настоящий дигестат со станции очистки сточных вод реки Миссури в Сент-Луисе. Поработав с электрическим током, они определили условия, при которых устройство выщелачивало фосфор с эффективностью более 93% и осаждало примерно 99% его в твердой форме. В течение 42 циклов устройство показало в среднем почти 80%-ную эффективность извлечения фосфора.
«Изюминка», по мнению Хе, в том, что энергия, обеспечивающая удаление на аноде, одновременно обеспечивает восстановление на катоде, поскольку простая мембрана изолирует уникальную среду камеры. «Это, по сути, один и тот же электрон, перемещающийся с одной стороны на другую, и для выполнения двух работ требуется одинаковое количество электричества», – сказал он.
Собранные конечные продукты имеют содержание фосфора наравне с высококачественной фосфатной рудой. «Этот продукт можно использовать в качестве сырья для производства удобрений», – отметил Хе.
Он также очертил планы того, как вывести разработку за пределы лабораторного стола. По его словам, «для перехода от пилотного прототипа к полномасштабной установке потребуется много инженерных работ», и потребление энергии, вероятно, будет самым большим препятствием. Тем не менее, Хе достаточно оптимистичен, чтобы ожидать активного применения новой технологии, в силу легкодоступности ресурса в том числе и за рамками коммунальных сточных вод – в частности, из отходов животноводческих ферм, в которых много питательных веществ.