Forskare vid Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB har utvecklat ett biobaserat och funktionaliserat flockningsmedel för att effektivt behandla komplexa avloppsvatten. Vidare avlägsnas giftiga fenoler från vattnet av enzymet laccas i en kitosanmatris. Det funktionaliserade och nedbrytbara flockningsmedlet LaChiPur kommer att presenteras för första gången vid IFAT i München 13–17 maj 2024.
Genom flockning avlägsnas de finaste fasta föroreningarna vid rening av avloppsvatten och vattenrening. Flockningsmedel får suspenderade fasta ämnen att agglomerera till större flockar, som sjunker till botten eller kan filtreras – vattnet blir klart igen.
Oorganiska metallsalter, såsom järn- eller aluminiumsulfater och -klorider, används ofta för att avlägsna humusämnen vid behandling av dricksvatten, för att behandla processvatten under papperstillverkning eller för att fälla ut fosfor i kommunala avloppsreningsverk. I vissa fall ingår dessutom polymerflockningsmedel, syntetiska polymerer gjorda av fossila resurser.
Den uppenbara nackdelen med konventionella metoder:på grund av de tillsatta kemikalierna eller polymererna kan det resulterande slammet inte återanvändas och måste kasseras till stora kostnader.
Det är därför forskare vid Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB övergick till naturligt och helt biologiskt nedbrytbart kitosan. Detta erhålls från förnybart kitin, som ingår som en strukturell komponent i skalen på kräftdjur, skal och skinn från insekter och i svampar, vilket gör kitin till en av de vanligaste naturliga polymererna på jorden – näst efter växtbaserad cellulosa.
Kitosanbaserade vattenreningskemikalier finns redan tillgängliga för att rena simbassänger och dammar. Fraunhofer-forskare tar dock detta tillvägagångssätt ett steg längre genom att dessutom funktionalisera kitosan med enzymet laccase. Enzymet finns i olika växter, svampar och bakterier.
I naturen är laccaser involverade i både att koppla samman aromatiska monomerer för att bilda lignin och i dess avlägsnande. På grund av deras förmåga att oxidera fenoler och andra fenoliska ämnen är de efterfrågade för olika industriella tillämpningar, oavsett om de är under avlägsnande av giftiga fenoler i fruktjuicer, avfärgning av textilt avloppsvatten eller avlägsnande av föroreningar i vatten och jord.
"Vår idé var att laccas - bundet till kitosan som en matris - också kunde vara lämpligt för komplexa avloppsvatten, som de som genereras under produktionen av vin eller olivolja", säger Dr Thomas Hahn, vars forskning vid Fraunhofer IGB omfattar rening av kitin från en mängd olika avfallsströmmar och dess efterföljande omvandling till kitosan.
Efter druvskörden når kommunala avloppsreningsverk snabbt sina gränser när tre till fyra gånger den normala mängden avloppsvatten når de övervägande små reningsverken på landsbygden för vinodling.
"Fenolerna i avloppsvattnet har en giftig effekt på bakterierna i luftningstanken. Som ett resultat måste luftningen ökas, vilket avsevärt höjer energibehovet i avloppsreningsverket", säger Marc Beckett, expert på vattenhantering och vattenbehandling vid IGB.
I olivoljebruk lagras ofta avloppsvatten från tvätt och oljeutvinning stora uppsamlingsdammar, där vattnet avdunstar med tiden och lämnar efter sig ett slam som är giftigt för flora och fauna.
Idén förvandlades till ett tvåårigt Fraunhofer-forskningsprojekt. IGB-teamet samarbetade med Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research IAP i Potsdam, som arbetade med funktionalisering av kitosan med laccas.
För att kunna testa effekten av kitosan funktionaliserat med laccas med hjälp av riktigt avloppsvatten, etablerade forskare vid IGB först motsvarande metodik och analys. "En av utmaningarna var att föra det polymera kitosanet i lösning, så att det kunde doseras som ett flockningsmedel och utveckla dess effekt av att binda polyfenoler och tanniner", minns Hahn.
"Eftersom en lätt sur miljö är idealisk för laccase, uppnådde vi omedelbart mycket lovande resultat för det typiska avloppsvattnet från vin- eller olivoljaproduktion", säger kemisten.
"Vår teknik uppnår en flockningsprestanda för komplext agroindustriellt avloppsvatten som är jämförbar med den för konventionellt använda koaguleringsmedel som innehåller metallsalter eller syntetiska polymerflockningsmedel. Men LaChiPur, som vi kallar vår funktionaliserade produkt, är helt biobaserad och därför biologiskt nedbrytbar", sammanfattar vi. Beckett, biolog och miljövetare.
Kombinationen med laccas visade sig vara en verklig fördel med detta avloppsvatten, eftersom det funktionaliserade kitosan kan användas som flockningsmedel och samtidigt oxiderar och polymeriserar fenoler.
Ytterligare fördelar med den nya miljövänliga tekniken:råvaran kitin produceras lokalt i stora mängder som avfall i livsmedels- eller bioteknikindustrin. Detta säkerställer ekonomisk produktion och försörjningstrygghet – utan beroenden av sammanflätade internationella leveranskedjor. Om det nedbrytbara slammet som produceras efter flockning jäss i avloppsreningsverk kan detta till och med öka biogasutbytet avsevärt.
"Tack vare vår tvärvetenskapliga expertis kan vi nu undersöka avloppsvatten och processvatten som produceras i industriföretag i vårt laboratorium för att se hur vattnet som behandlats med LaChiPur renas", säger Hahn och Beckett.
Baserat på de första lovande resultaten vill forskarna också optimera sin teknik ytterligare med små och medelstora företag som säljer eller tillverkar flockningsmedel, överföra den till en större skala och föra den till industriell tillämpning.
"LaChiPur lämpar sig dessutom som filtermaterial och har egenskaper som utfällningsmedel. Vi söker också vidareutveckla vår produkt för användning vid fosforfällning. På grund av dess egenskaper är den också av intresse för rening av textilt avloppsvatten eller för användning i dricksvatten vattenrening", är IGB-forskarna övertygade.
Från 13–17 maj 2024 kommer de att presentera LaChiPur i Fraunhofer Water Systems Alliances (SysWasser) gemensamma monter i hall B2, monter 338 på IFAT i München.
Tillhandahålls av Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB
