Các nhà khoa học chuyển đổi bùn thải thành hydro xanh và protein dinh dưỡng
Bởi Đại học Công nghệ Nanyang, ngày 15 tháng 3 năm 2025
Protein đơn bào dùng làm thức ăn chăn nuôi có nguồn gốc từ bùn thải bằng phương pháp do nhóm nghiên cứu NTU đề xuất. Nguồn: NTU Singapore
Quy trình sử dụng năng lượng mặt trời của NTU Singapore chuyển đổi bùn thải thành năng lượng sạch và thức ăn chăn nuôi, giảm chất thải và phát thải carbon đồng thời cải thiện việc thu hồi tài nguyên.
Các nhà khoa học tại Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore (NTU Singapore), đã phát triển một quy trình sử dụng năng lượng mặt trời mang tính đột phá để chuyển đổi bùn thải—một sản phẩm phụ của quá trình xử lý nước thải—thành hydro xanh để tạo ra năng lượng sạch và protein đơn bào dùng làm thức ăn chăn nuôi.
Được xuất bản trên tạp chí Nature Water, phương pháp chuyển bùn thải thành thực phẩm và nhiên liệu sáng tạo này giải quyết hai thách thức toàn cầu quan trọng: quản lý chất thải và tạo ra nguồn tài nguyên bền vững. Phương pháp này cũng phù hợp với cam kết của NTU trong việc giải quyết các vấn đề lớn như biến đổi khí hậu và tính bền vững của môi trường.
Theo Liên hợp quốc, dân số đô thị toàn cầu dự kiến sẽ tăng thêm 2,5 tỷ người vào năm 2050. Quá trình đô thị hóa nhanh chóng này, cùng với sự mở rộng công nghiệp, sẽ dẫn đến sự gia tăng đáng kể sản lượng bùn thải. Việc quản lý loại chất thải này đặc biệt khó khăn do thành phần phức tạp của nó, bao gồm kim loại nặng, mầm bệnh và các chất gây ô nhiễm khác.
Theo UN-Habitat, hơn 100 triệu tấn bùn thải được tạo ra trên toàn cầu mỗi năm, một lượng đang tăng lên hàng năm. Tuy nhiên, các phương pháp xử lý thông thường - chẳng hạn như đốt hoặc chôn lấp - tốn thời gian, không hiệu quả về năng lượng và góp phần gây ô nhiễm môi trường.
Để giải quyết vấn đề bùn thải không mong muốn và khó xử lý, các nhà nghiên cứu của NTU đã tạo ra một quy trình sử dụng năng lượng mặt trời gồm ba bước tích hợp các kỹ thuật cơ học, hóa học và sinh học.
(Từ trái sang phải) Nhóm nghiên cứu của NTU đứng sau phương pháp sử dụng năng lượng mặt trời để chuyển đổi bùn thải thành hydro xanh và thức ăn chăn nuôi bao gồm Phó giáo sư Li Hong, Khoa Kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ (MAE) và Viện nghiên cứu năng lượng @ NTU (ERI@N); Giáo sư Zhou Yan, Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường (CEE) và Viện Nghiên cứu Nước và Môi trường Nanyang (NEWRI), và Tiến sĩ Zhao Hu, Nghiên cứu viên, Khoa MAE. Nguồn: NTU Singapore
Các thử nghiệm chứng minh khái niệm cho thấy quy trình của nhóm NTU hiệu quả hơn các kỹ thuật thông thường như tiêu hóa kỵ khí - thông qua đó vi khuẩn phân hủy chất thải hữu cơ để tạo ra khí sinh học và chất thải giàu dinh dưỡng. Phương pháp này thu hồi được nhiều tài nguyên hơn đáng kể, loại bỏ hoàn toàn các chất gây ô nhiễm kim loại nặng, có dấu chân môi trường nhỏ hơn và mang lại khả năng kinh tế tốt hơn.
Nhà nghiên cứu chính, Phó giáo sư Li Hong từ Khoa Kỹ thuật Cơ khí và Hàng không Vũ trụ (MAE) của NTU và Viện Nghiên cứu Năng lượng @ NTU (ERI@N) cho biết, "Phương pháp của chúng tôi biến chất thải thành các nguồn tài nguyên có giá trị, giảm thiểu thiệt hại cho môi trường đồng thời tạo ra năng lượng tái tạo và thực phẩm bền vững. Phương pháp này minh họa cho nền kinh tế tuần hoàn và góp phần vào tương lai xanh hơn".
Đồng nghiên cứu viên chính, Giáo sư Zhou Yan từ Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường (CEE) của NTU và Viện Nghiên cứu Nước và Môi trường Nanyang (NEWRI) cho biết: “Quy trình sử dụng năng lượng mặt trời của chúng tôi chứng minh cách chúng tôi có thể giải quyết nhiều thách thức cùng một lúc, biến một sản phẩm thải khó xử lý thành năng lượng sạch và protein bổ dưỡng. Bằng cách kết hợp các phương pháp tiếp cận cơ học, hóa học và sinh học, phương pháp của chúng tôi đã giải quyết thành công tình trạng ô nhiễm và tình trạng khan hiếm tài nguyên, đưa ra một chiến lược bền vững mới trong quản lý nước thải”.
Quy trình ba bước của NTU
Quy trình bắt đầu bằng cách phân hủy bùn thải bằng cơ học. Một phương pháp xử lý hóa học sẽ tách các kim loại nặng có hại khỏi các vật liệu hữu cơ, bao gồm protein và carbohydrate.
Tiếp theo, một quy trình điện hóa sử dụng năng lượng mặt trời sử dụng các điện cực chuyên dụng để biến các vật liệu hữu cơ thành các sản phẩm có giá trị, chẳng hạn như axit axetic, một thành phần chính trong ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm, và khí hydro, một nguồn năng lượng sạch.
Cuối cùng, vi khuẩn được kích hoạt bằng ánh sáng được đưa vào dòng chất lỏng đã xử lý. Những vi khuẩn này chuyển đổi chất dinh dưỡng thành protein đơn bào phù hợp cho thức ăn chăn nuôi.
Thân thiện với môi trường, tiết kiệm chi phí và có thể mở rộng
Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy phương pháp mới này thu hồi 91,4 phần trăm cacbon hữu cơ trong bùn thải và chuyển đổi 63 phần trăm cacbon hữu cơ thành protein đơn bào mà không tạo ra các sản phẩm phụ có hại. Trong khi đó, quá trình tiêu hóa kỵ khí truyền thống thường thu hồi và chuyển đổi khoảng 50 phần trăm vật liệu hữu cơ trong bùn thải.
Quy trình sử dụng năng lượng mặt trời đạt hiệu suất năng lượng là 10 phần trăm, tạo ra tới 13 lít hydro mỗi giờ bằng ánh sáng mặt trời, hiệu suất năng lượng cao hơn khoảng 10 phần trăm so với các phương pháp tạo ra hydro thông thường.
Quy trình NTU giảm lượng khí thải carbon xuống 99,5 phần trăm và mức sử dụng năng lượng xuống 99,3 phần trăm so với các phương pháp truyền thống. Nó
do đó loại bỏ kim loại nặng có hại khỏi bùn, nếu không sẽ bị thải bỏ mà không qua xử lý đúng cách, khiến quy trình này trở thành lựa chọn thân thiện với môi trường.
Tác giả đầu tiên, Tiến sĩ Zhao Hu, Nghiên cứu viên tại Trường MAE, cho biết, "Chúng tôi hy vọng rằng phương pháp chúng tôi đề xuất cho thấy khả năng quản lý chất thải bền vững và thay đổi cách nhìn nhận bùn thải — từ chất thải thành nguồn tài nguyên có giá trị hỗ trợ năng lượng sạch và sản xuất thực phẩm bền vững".
Nhóm nghiên cứu NTU cho biết thêm rằng mặc dù quy trình mới được phát triển này rất hứa hẹn, nhưng cần có thêm nhiều nghiên cứu để xác định xem quy trình này có thể được mở rộng quy mô hay không. Một thách thức chính là chi phí sử dụng quy trình điện hóa để phân hủy hoàn toàn các vật liệu hữu cơ và chiết xuất tất cả kim loại nặng từ chất thải. Ngoài ra, việc thiết kế một hệ thống phức tạp cho một cơ sở xử lý nước thải cũng làm tăng thêm khó khăn.
Tài liệu tham khảo: “Quá trình cải tạo bùn thải bằng năng lượng mặt trời kết hợp với phễu sinh học để đồng tạo ra thực phẩm xanh và hydro” của Hu Zhao, Ziying Sun, Chenchen Li, Dan Wu, Li Quan Lee, Dan Lu, Yunbo Lv, Xiang Chu, Ying Li, Wenguang Tu, Ovi Lian Ding, Jin Zhou, Zhigang Zou, Yan Zhou và Hong Li, ngày 1 tháng 11 năm 2024, Nature Water.
DOI: 10.1038/s44221-024-00329-z
