Американские ученые разработали новый способ восстановления фосфора из сточных вод

Фосфор, один из важнейших химических элементов, так или иначе присутствующий в практически любой форме жизни, также критически важен в агропромышленном комплексе. Ценой больших затрат этот элемент добывается в шахтах, чтобы затем, после обработки, его можно было бы использовать в сельском хозяйстве. В 2015 году из недр планеты было извлечено около 27,6 млн. тонн данного вещества. Однако похоже на то, что команда исследователей из департамента UW-Madison при Университете штата Висконсин, занимающаяся разработками в области сельского хозяйства, изобрела альтернативный способ сбора этого ценного минерала.

Начало исследований в области восстановления фосфора было положено в лабораториях Университета штата Висконсин группой ученых во главе с профессором Филиппом Бараком (Phillip Barak) и доктором наук Маурисио Авилой (Mauricio Avila). Впоследствии была создана компания Nutrient Recovery and Upcycling LLC для обкатки и последующей коммерциализации технологии восстановления фосфора. Сама технология представляет из себя процесс, который может извлекать фосфор из установок для очистки сточных вод и формировать фосфат кальция, который можно в последствии использовать в виде сухого удобрения.

Это может создать беспроигрышный сценарий для очистных сооружений, считает профессор почвоведения Филип Барак. Это потому, что удаление фосфора из очистных сооружений предотвращает засорения и создает новые возможности для получения прибыли. Профессор работает в Университете вот уже 26 лет, и все это время был известен как теоретик. Однако в конце-концов его теоретические изыскания коснулись проблем весьма практического характера, актуальных для всего мира.

Как ни странно, но толчком для исследований послужило не что-нибудь, а камни в почках. В своей лаборатории ученый исследовал структуры плотноупакованных молекул, создающих ионно заряженную поверхность. Барак предположил, что при этом может образовываться струвит — водный фосфат аммония и магния, часто встречающийся в почечных камнях. Чтобы подтвердить свою догадку, он попросил стажера провести быстрый эксперимент, и, к своему удивлению, уже через пять минут получил положительный результат.

«Ни один из моих других экспериментов не срабатывал так быстро и убедительно с первого раза», вспоминает Барак.

Таким образом, профессор нашел способ быстрого создания струвита. Затем, ученый внес необходимые изменения в процесс, чтобы перед струвитом получить еще и брушит, он же дикальцийфосфат — фосфатный минерал, присутствующий в костях людей и животных, а также вымываемый дождевой водой с сельскохозяйственных полей, обработанных удобрениями. В процессе экспериментов и был найден способ извлечения фосфора из труб станций по очистке сточных вод.

Процесс восстановления фосфора в трубах сточных вод начинается с растворения осадка. Затем осадок помещается в центрифугу для разделения твердой и жидкой фаз. Жидкая фаза, содержащая растворимый фосфор, взаимодействует с кальцием для образования кристаллов брушита.

Процесс извлечения фосфора: добавление в сточные воды кислот для растворения осадка, помещение в центрифугу, добавление кальция, образование брушита, сушка и упаковывание

По заверениям создателей, данная технология позволяет восстанавливать до 62% фосфора в канализационных сооружениях. Данный показатель на 150% превышает все другие способы восстановления фосфора, использующиеся на рынке. На текущий момент опытный завод в Вудридже (Woodridge), штате Иллинойс, показыает хорошие результаты, заявляет профессор. По его словам, уже было создано несколько тонн удобрений из извлеченного фосфора.

Помимо восстановления фосфора, исследователи из Nutrient Recovery and Upcycling также разработали технологию, извлекающую азот из сточных вод в форме аммиачного раствора. В ходе обработки сточные воды пропускаются через специально разработанный мембранный пакет, выборочно извлекающий аммиак с помощью электричекого поля и концентрирующий его в жидкой форме. Данная технология еще только проходит стадию патентования, но результаты уже обнадеживающие. Так, по заявлению разработчиков, данный процесс позволяет восстановить до 25% аммиака за один прогон, кроме того, возможна многократная прогонка сточных вод для увеличения количества извлеаемого аммиака. Опытная установка была построена в 2016 году, в этому году ожидается начало испытаний.

Исследования Барака и его команды нашли поддержку со стороны министерства сельского хозяйства США в рамках программы Hatch Act and Small Business Innovation Research, канализационного управления муниципалитета города Мэдисон (штат Висконсин), а также Центром Коммерциализации Технологий штата Висконсин (State of Wisconsin Center for Technology Commercialization) и непосредственно учредителями компании.

Источник: GreenBook