Aalto-universitetets vatten- och miljötekniska laboratorium ger ifrån sig en obestridlig doft av avloppet – och denna stanken har sina rötter i en misslyckad västafrikansk återvinningsverksamhet.

När han arbetade i Ghana för tre år sedan, postdoktorn Surendra Pradhan var tvungen att erkänna att hans avloppsverksamhet inte var meningsfull.

"Återvinning är alltid lovvärt, men sällan ekonomiskt lönsamt. Vi startade flera projekt bara för att upptäcka att det var förvånansvärt svårt att sälja vår produkt. Den genomsnittliga bonden använde inte kompost och det fanns få köpare av särskilt flytgödsel som innehöll mänskligt avfall. Jag kom till slut fram till att det mest vettiga alternativet var att tillverka något som det redan fanns en marknad för. "

Undvik en meningslös cykel

Pradhan började undersöka saken och upptäckte att det bästa sättet att utnyttja avloppsvattenkväve var att återvinna det i ammoniumsulfatform, som används i konstgödsel och inte innehåller rester av kemikalier och läkemedel som ofta finns i flytgödsel. Som en bonus, samma process kan återvinna ett annat övergödningsmedel, fosfor, som hittills har, som kväve, mestadels varit ett problem som reningsverk måste ta bort.

Traditionellt, gödningsmedlet kväve som behövs för ammoniumsulfat har tillverkats med hjälp av Haber-Bosch-metoden, en process utvecklad av tyska forskare för hundra år sedan som omvandlar atmosfäriskt kväve till ammoniak. Processen kräver höga temperaturer och tryck, och är därmed ganska frossare för energi:tillverkning av gödselkväve står för uppskattningsvis två procent av den globala energiförbrukningen.

Pradhan och hans forskarkollegor vid Aalto -universitetet utvecklade en metod för fångst av näringsämnen som leder avloppsvatten till en reaktor där dess pH -värde höjs med kalciumhydroxid så att vattenets ammoniakkväve omvandlas till gasformig ammoniak. För sin del, ammoniaken separeras via ett semipermeabelt membran varefter det löses upp i svavelsyra för att skapa ammoniumsulfat. Fosforen i vattnet fälls ut med kalciumsalter och kan sedan användas som gödsel.

"Som kalcium är, vid sidan av kväve och fosfor, det viktigaste näringsämnet som krävs för att odla grödor i den sura marken i Finland, att använda kalciumhärledda ämnen för att höja pH-nivåerna ökar inte kostnaderna eftersom det bara blir en del av slutprodukten, säger postdoktorn Anna Mikola.

Testningen av metoden började med en mindre containerversion och har nu utvecklats till en något större reaktor. Resultaten är lovande. Experiment har lyckats separera upp till 99% av kvävet och 90-99% av fosforn i urinen, även om metoden förbrukar betydligt mindre energi och kemikalier än den vanligt använda nitrifikations-denitrifikationsreningsprocessen för avloppsvatten.

"I det kväve, vars återvinning till gödningsmedel förbrukar en enorm mängd energi, är förlorad för vindarna. Processen står också för lejonparten av den energi som krävs för vattenrening. Vårt mål är att undkomma denna meningslösa cykel, säger Mikola.

Från liten container till trailer och en pilot

En patentansökan för metoden behandlas för närvarande, men det finns fortfarande en väg att gå innan det används för industriell användning. Professor Riku Vahala säger att laget föredrar att ta babysteg framåt snarare än att barga sig in i en vägg i full fart.

"Alltför ofta leder stora förväntningar till ett direkt språng från laboratoriet till fabriken, som äter upp alla pengar och urholkar tron ​​på hela tekniken. Vi går först från en liten containerskala till en applikation i trailerstorlek och, Om allt går bra, vi är beredda att bygga en demonstrationsanläggning om två år. "

Före detta, forskarna måste ta reda på hur till exempel, Metoden fungerar med olika typer av avloppsvatten – sådana som produceras av hushållen, biogasanläggningar och, säga, marinor är radikalt olika, trots allt. Nästa experiment ska utföras på rejektvatten som skapas i samband med torkning av slam i Helsingforsregionens miljöförvaltningscentrals slamrötningskammare i Vikbacka och i Gasums biogasanläggningar.

Den enorma betydelsen av vattenrening bidrar till utmaningen.

"När vi behandlar en fråga som påverkar miljön och människors hälsa, de inblandade parterna vill inte ta några chanser utan föredrar istället att använda gamla bekanta metoder, även om de är dyrare och mindre effektiva, " Sammanfattar Vahala.

Det sätt på vilket metoden kommer att integreras med verksamheten vid anläggningar förblir också öppen. Trenden inom industrin är att fokusera hårt på kärnverksamheten och, följaktligen, avloppsrening har ofta lagts ut på entreprenad. Dessutom, många kommunala reningsverk har överfört ansvaret för vidarebearbetningen av slam till externa företag. Pradhan, Mikola och Vahala tror att när tekniken är klar, det bästa sättet att introducera det så brett som möjligt är via tredje part.

"Det är meningslöst att varje stor eller liten avfallshanteringsanläggning också blir en gödselförsäljare. Det skulle vara mycket klokare för ett eller flera företag att kommersialisera vår teknik, verksamheten och även den slutprodukt den ger, ", räknar Mikola.

Bra för Östersjön

Metoden har andra positiva miljöeffekter utöver energibesparingar. Forskare uppskattar att återvinning av näringsämnen från avloppsvatten från samhället möjliggör utbyte av sex procent av industriellt producerat ammoniakkväve och tio procent av den fosfor som används som gödningsmedel. För närvarande, gödselmedel fosfor grävs ut från gruvor, som hotar att torka under nästa århundrade om inte återhämtningen blir mer effektiv. På behandlingsanläggningar, dock, fosfor hamnar i slam, som huvudsakligen används som ett tillväxtmedium för gräs och vägaxlar eftersom livsmedelsproduktionsbestämmelser och image bekymmer försvårar dess användning som gröda näringsämne.

En effektiv och ekonomiskt attraktiv återhämtning skulle också gynna Östersjön och andra vattensystem i Finland. Avlägsnandet av fosfor från samhällets avloppsvatten är i gott skick i Finland, men när det kommer till kväve, skillnaderna mellan behandlingsanläggningar och orter är stora. För det mesta, Finsk lagstiftning innebär en skyldighet att utföra förstärkt kväveborttagning endast i kvävekänsliga kustområden, även om näringsämnen kan resa långa sträckor för att övergöda Östersjön. Avloppsreningsanläggningarnas kvävereduktionskapacitet kan också falla under från tid till annan på grund av översvämningar av mycket kraftfullt avloppsvatten som kommer från biogasanläggningar.

"Vi har också deltagit i olika bevarandeprojekt för Östersjön, som har avslöjat att vissa biogasanläggningar i de baltiska staterna, Östeuropa och Vitryssland släpper ut orenat avloppsvatten i vattendrag varifrån de rinner nedströms in i Östersjön, säger Mikola olyckligt.

Ekonomiska intressen och ökad miljömedvetenhet lovar gott om metodens exportpotential. Vahala konstaterar att uppkomsten av en marknad för deras produkt också är starkt beroende av lagstiftning.

"Om och när det dyker upp, vi vill vara förberedda och bita på biten för att gå vidare."