Avløpsvann – en verdifull ressurs

Rent vann er en grunnleggende rettighet i ethvert samfunn. FNs 6. mål for bærekraftig utvikling (SDG) understreker viktigheten av tilgjengelighet  og bærekraftig forvaltning av rent vann og sanitæranlegg for alle. I 2017, manglet 2,2 milliarder mennesker tilgang til rent vann og omkring 4,2 milliarder mennesker manglet gode sanitære forhold. Nå med COVID-19 er det viktig å ha  grunnleggende muligheter for håndvask. Ifølge FN mangler nesten 3 milliarder mennesker denne muligheten.

Tall fra Verdens helseorganisasjon (WHO) viser at mer enn 2,0 milliarder mennesker over hele verden mangler skikkelig tilgang til rent og trygt vann for å dekke deres personlige behov (2017). I de fleste deler av verden er de eksisterende drikkevannsforholdene sterkt nedbrutt på grunn av mangelfull forvaltning av avløpsvann, som inneholder forurensninger og forurensende stoffer fra næringer, urbane områder og jordbruk. Men det finnes teknologier som kan rette på dette.

Ikke bare kloakk

Avløpsvann inneholder ikke bare kloakk, men også tungmetaller som for eksempel kadmium, sink, og kvikksølv og ioner av nitrater og fosfater. Disse stoffene kommer inn i vannkildene på grunn av ulike aktiviteter som jordbruk, produksjon av biogass, gruvedrift, for å nevne noe.

Nitrogen og fosfor er to viktige elementer som opprettholder ulike livsformer og spiller en kritisk rolle i plantevekst og matforsyning. Selv om nitrogen utgjør 78 prosent av jordens atmosfære, er nitrogen svært begrenset i jorda. Derfor trenger vi å tilføre den brukbare former som ammoniakk og nitrater via gjødsel.

Fosfor er en ikke-fornybar ressurs som utvinnes fra malm, og den kan være oppbrukt i løpet av dette århundret og «Peak fosfor» produksjon vil være rundt 2033. Etter dette året, vil vi se en nedgang i produksjonen [1] Det anslås at bare ca. 4 Tg (Tg = tera gram = 10¹² g) nitrogen av de 170 Tg reaktivt nitrogen akkumuleres i avlingene. Resten slipper ut i luft og vann [2].

Med en økende befolkning er det også et behov for å takle sult, og dette kan oppnås gjennom forsvarlig bruk av gjødsel. Råstoffet til fosfatgjødsel kommer fra gruvedrift. Men fosfor i lave konsentrasjoner på 0,02 g / ml kan forringe vannkvaliteten og påvirke liv i vann. For tiden koster det i Europa ca. 7500 euro / jordbruksbruk / år for bruk av gjødsel, og kostnadene øker med ca 4 prosent i året.[3].

Den gode nyheten er at gjenvinning av nitrater og fosfater kan lette belastningen på gjødselproduksjonen, senke kostnadene for gjødsel og dermed gi lavere matvarepriser. Det er nettopp dette vi jobber med i Avdeling for prosess- teknologi og Avdeling for bærekraftig energiteknologi på SINTEF Industri.

Her er jeg på  jobb i laben hos SINTEF. VIS MER

Ionene samler – og avgir

Tradisjonelle vannbehandlingsprosesser gjøres ved såkalt adsorpsjon ved hjelp av faste stoffer, anaerob fordøyelse ved hjelp av mikrogranismer, samt ved bruk av ionebyttere og membraner. Ionebyttere er stoffer som absorberer visse ioner og samtidig avgir noen av sine egne ioner. I denne prosessen brukes en polymer til å fjerne uønskede ioner som f.eks. kobber og bly fra vann, samtidig som de avgir natrium eller kalium.

Hovedutfordringen i disse prosessene er at de genererer sekundært avfall. Disse sekundære avfallsproduktene kan inneholde verdifulle ressurser som kan være vanskelige å gjenvinne da gjenvinningsprosessene enten bruker kjemikaler som er skadelige for miljøet, eller prosesser som er veldig dyre.

Et annet alternativ under oppseiling

Som et alternativ utforskes for tiden en såkalt kapasitativ avioniseringsprosess (Capacitative deionization (CDI)) av flere forskningsgrupper over hele verden. Figuren under beskriver denne avioniseringsprosessen. I denne metoden brukes motsatt ladede elektroder for å skille ioner fra vannholdige  løsninger. Når strøm kobles til elektrodene beveger ionene seg mot elektroden og dette kaller vi elektrosorpjon. Etter en viss tid er elektrodene mettede med ioner og da slutter ionene å bevege seg. Da kobler vi fra strømmen og ionene kan gjenvinnes fra elektrodene med renn vann eller væske som inneholder de samme iononene. Denne prosessen kalles desorpsjon.

Den viktigste komponenten i kapasitativ avioniseringsprosess er elektroden. Elektrodene må være gode ledere av elektrisert, billige, gjenbrukbare og må adsorbere så mye ioner som mulig. Kapasitative avioniseringprosesser har blitt brukt til å rense saltvann og fjerne stoffer som klorid og fluorid, ved å bruke lave spenninger på <1,2 Volts. I det siste, har forskningsgrupper også rettet oppmerksom mot fjerning og utvinning av andre ionene så som fosfor, nitrat, kadmium etc.

Prinsippene for prosessen kapasitiv avioning. Her er elektrodene svært viktige, de må lede elektrisitet godt, være billige og gjenbrukbare. Tidligere har metoden blitt brukt til å rense saltvann, nå skal den brukes til å trekke ut nyttige stoffer fra avløpsvann. Og vannet som blir igjen er helt rent. VIS MER

Ressursutvinning og vannbehandling

I det nylig lanserte prosjektet ELEPHONT vil et tverrfaglig team i SINTEF utvikle et konsept for elektrosorpsjon av ioniske forurensninger i avløpsvann. Ved denne prosessen vil en veldig lav spenning påføres over elektroder laget av karbon for å skille de ioniske forurensningene fra avløpsvannet, og denne prosessen vil dermed eliminere sekundære rester. Og gi oss rent vann.

Jeg leder dette prosjektet som har som hovedmål å evaluere konseptet med elektrosorpsjon for utvinning av viktige nitrater og fosfater som skal brukes i industriellskala på f.eks. avløpsrenseanlegg og biogassanlegg.

I prosjektet lager vi elektroder, tester dem i laboratorieskala, utfør prosessmodellering og ser på kostandene for å gjenvinne nitrat og fosfor fra avløpsvann. Karbon er en god leder av elektrisitet, kan adsorbere flere ioner, det er billig og kan være laget av flere biologiske kilder (kokosnøttskall, bambus, sukkerrør avfall, kull etc.)

I dette arbeidet bruker vi karbonelektroder som er laget fra planteavfall som f.eks. flis. Dette kan potensielt bidra til å redusere og gjenvinne avfall, et av hovedgrunnlagene for sirkulær økonomi. Hvis prosessen lar seg oppskalere, vil den ikke bare ha en positiv innvirkning på vanngjenvinning og gjenbruk, men også på gjødselproduksjon og kostnadene forbundet til bruk av gjødsel.

Referanser:

1. Cordell et al., Global Environmental change 19,2, 2009 
2. Sengupta et al., Curr Pollution Rep (2015) 1:155–161
3. Fertilizers in EU, Prices trade and Use