持続可能なソリューション

トロント大学より 2023 年 6 月 3 日

研究者らは、無機粒子を含む特別に設計された膜を使用して、廃水からリン酸塩やアンモニウムなどの貴重な栄養素を抽出して回収する方法を開発しました。 廃水を迷惑ではなく資源として位置づけるこの研究は、農業用肥料生産の原料を提供することで循環経済に貢献する可能性があり、世界の食糧供給を脅かす可能性のあるこれらの栄養素の差し迫った不足を緩和する可能性がある。

トロント大学工学博士号サラ・アブオベイド候補者 (ChemE) は、廃水管理部門では根本的な変化が遅れていると信じています。

「私たちは廃水を迷惑な存在として見ることから、廃水を資源としての可能性を認識することに移行する必要があります」と彼女は言います。 「水、栄養素、エネルギー、その他の価値あるものを私たちに提供してくれるので、それらを収穫して循環経済に向けて活用することができます。」

ラミン・ファーヌード教授 (ChemE) の指導の下、アブ・オベイド氏は最近ケミカル・エンジニアリング誌に発表された研究の筆頭著者です。 この研究は、廃水からリン酸塩とアンモニウムを抽出する環境に優しい方法を提示すると同時に、将来的にはこれらの栄養素の再利用も可能にします。

彼女の新しい方法では、廃水からリン酸塩とアンモニウムを取り込むために無機粒子を組み込んだ高度な膜を使用します。 これらの物質を費用対効果の高い方法で回収することにより、この方法は農業用肥料の製造業者が使用できる新しい材料源を作成します。

入浴、トイレ、洗濯などで使用された水は、下水道に流れ込み、下水処理場で洗浄され、環境に影響を与えることなく安全に自然に放出されます。

処理プロセスの主な目的には、家庭用品や排泄物（体から排出される老廃物）に由来する固形物、有機物、病原体、栄養素などを除去することが含まれます。 これらの栄養素の中には、農業肥料の 2 つの必須成分であるリン酸塩とアンモニウムがあります。

Sara Abu-Obaid (ChemE PhD 候補者) は、無機粒子を含む膜を使用して廃水から貴重な栄養素を回収する新しいソリューションを設計しました。 クレジット: Safa Jinje

リンは植物の生育に不可欠ですが、リンが多すぎると富栄養化を引き起こす可能性があります。 この複雑なプロセスは、環境が栄養素で過剰に濃縮され、藻類の爆発的な成長につながるときに始まります。 これらの有害な藻類の発生により、水中の酸素の利用可能性が枯渇し、水生生物が窒息する「デッドゾーン」が生じます。 アンモニアへの長期曝露も水生生物に有毒となる可能性があります。

現在の廃水処理施設では、処理過程でリン酸塩とアンモニアを除去するプロセスが確立されています。 通常、化学処理によりリン酸塩は固体の形に変換され、水の底に沈殿し、スラッジとして収集されて埋め立て地に送られます。 アンモニウムは伝統的に生物学的処理を使用して除去されており、バクテリアがアンモニウムを消費して硝酸塩、さらに窒素ガスに変換します。

「これら 2 つは肥料の重要な成分である高価値の製品ですが、現在の廃水処理プロセスではこれらの栄養素は廃棄物として扱われます」とアブオベイド氏は言います。

「私の解決策は、水から栄養素を完全に抽出し、肥料生産の原料として使用できるようにすることです。」

多くの科学者は、現在の農業用リン消費率が深刻な不足につながる可能性があり、世界的に食料供給に混乱をもたらす可能性があると警告している。 アブオバイドの新しい方法は、廃水をこれらの栄養素の実行可能な供給源に変えることで供給量を増やすのに役立つ可能性がある。

水の濾過に使用される多くの膜は、対象物質を水から濾過するために慎重に設計された細孔に依存していますが、アブ・オベイドのアプローチは異なります。 彼女の膜には、リン酸塩とアンモニウムの吸着に高い親和性を持つアカガナイトとゼオライト 13X でできた小さな粒子が含まれています。

「私たちは、サイズの排除や大きな圧力をかけて、除去したいものを除去しているわけではありません」とアブオベイド氏は言う。 「むしろ、除去を行っているのは膜内の粒子であり、粒子を所定の位置に保持するのが膜の仕事です。」

アブオベイド氏は、粒子はそれ自体で機能する可能性があるが、難しいのはそれらを廃水から除去することと、粒子が浸出するのではないかと言う。 膜を使用して粒子を所定の位置に保持すると、2 段階の操作の可能性が広がります。まず、粒子が廃水からアンモニウムとリン酸塩を吸着し、次に水酸化ナトリウム溶液を使用して膜を洗浄して、栄養素の回収と粒子の再生を同時に行います。 。

この研究では、膜は動的な水流条件下でリン酸イオンとアンモニウムイオンを捕捉することができ、その結果、競合する他のイオンが存在する場合でも、合成廃水からアンモニウムの 84% とリン酸塩の 100% を除去することができました。

アブオベイド氏は、彼女の実験により、この方法がこの用途に大きな可能性を秘めていることが示されたと信じていますが、そのようなシステムの大規模用途における設計上の考慮事項を調査するためのさらなる研究が必要であると考えています。

「これは、サイズ排除タイプの濾過によく使用される膜技術の非伝統的な使用法です」と彼女は言います。

「また、現在のサプライチェーンが脅かされるほど不足していない栄養素を回収するためになぜこの技術を使用しているのかを正当化するのは難しいかもしれません。しかし、私たちはこの問題に先んじて潜在的な持続可能な資源を確立することで恩恵を受けることができると信じています」未来。"

それまでは、アブオベイドは、この新しいソリューションが、廃水から栄養素を回収する他の革新的な技術とともに、より多くの支持を得られることを期待しています。

「廃水管理のより持続可能な未来を創造するためのこの技術の有用性を実証するには、さらなる技術経済的研究、長期安定性、パイロット研究が必要です」と彼女は言います。

参考文献：サラ・アブ・オベイド、シャハラム・タベ、モータダ・サドルザデ、ラミン・R・ファーヌード著「廃水からの栄養素回収のための吸着膜：水浄化の課題に対する新たな解決策」、2023年4月18日、Chemical Engineering Journal.DOI: 10.1016/j。 cej.2023.143057