Các nhà khoa học tại Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore (NTU Singapore) đã phát triển một phương pháp sử dụng năng lượng mặt trời tiên tiến để biến bùn thải - sản phẩm phụ của quá trình xử lý nước thải - thành hydro xanh để tạo ra năng lượng sạch và protein đơn bào làm thức ăn chăn nuôi.
Phân đoạn tích hợp và nâng cấp WAS với thế hệ hydro xanh đồng thời. Tín dụng: Nature Water (2024). DOI: 10.1038/s44221-024-00329-z
Được công bố trên tạp chí Nature Water, phương pháp biến bùn thành thực phẩm và nhiên liệu giải quyết hai thách thức toàn cầu cấp bách: quản lý chất thải và tạo ra các nguồn tài nguyên bền vững. Điều này phù hợp với mục tiêu của NTU là giải quyết những thách thức lớn nhất của nhân loại, chẳng hạn như biến đổi khí hậu và tính bền vững.
Liên Hợp Quốc ước tính sẽ có khoảng 2,5 tỷ người sống ở các thành phố vào năm 2050. Cùng với sự phát triển của các thành phố và ngành công nghiệp là sự gia tăng bùn thải, vốn rất khó xử lý và thải bỏ do cấu trúc, thành phần phức tạp và các chất gây ô nhiễm như kim loại nặng và mầm bệnh.
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—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 ba bước sử dụng năng lượng mặt trời, tích hợp các kỹ thuật cơ học, hóa học và sinh học.
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—trong đó vi khuẩn phân hủy chất thải hữu cơ để tạo ra khí sinh học và chất thải giàu dinh dưỡng. Nó 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 nguồn tài nguyên có giá trị, giảm thiểu thiệt hại về môi trường đồng thời tạo ra năng lượng tái tạo và thực phẩm bền vững. Đây là ví dụ điển hình cho nền kinh tế tuần hoàn và góp phần tạo nên một 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".
Protein đơn bào cho thức ăn chăn nuôi có nguồn gốc từ bùn thải sử dụng phương pháp do nhóm nghiên cứu NTU đề xuất. Nguồn: Nature Water (2024). DOI: 10.1038/s44221-024-00329-z
Quy trình ba bước
Quá trình này bắt đầu bằng cách phân hủy cơ học bùn thải. Xử lý hóa học tách kim loại nặng có hại khỏi vật liệu hữu cơ, bao gồm protein và carbohydrate.
Tiếp theo, một quá trình điện hóa sử dụng năng lượng mặt trời sử dụng các điện cực chuyên dụng để chuyển đổi 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 thích hợp cho thức ăn chăn nuôi.
Thân thiện với môi trường, tiết kiệm chi phí và có khả năng mở rộng
Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy phương pháp mới này thu hồi 91,4% cacbon hữu cơ trong bùn thải và chuyển đổi 63% cacbon hữu cơ thành protein đơn bào mà không tạo ra các sản phẩm phụ có hại. So sánh với phương pháp tiêu hóa kỵ khí truyền thống, phương pháp này thường thu hồi và chuyển đổi khoảng 50% vật liệu hữu cơ trong bùn thải.
Quy trình sử dụng năng lượng mặt trời đạt hiệu suất năng lượng 10%, tạo ra tới 13 lít hydro mỗi giờ bằng ánh sáng mặt trời, hiệu suất năng lượng cao hơn khoảng 10% so với các phương pháp tạo ra hydro thông thường.
Quy trình NTU giảm 99,5% lượng khí thải carbon và 99,3% mức sử dụng năng lượng so với các phương pháp truyền thống. Quy trình này cũng loại bỏ kim loại nặng có hại khỏi bùn, nếu không sẽ bị thải bỏ mà không được 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 Khoa MAE, cho biết: "Chúng tôi hy vọng rằng phương pháp chúng tôi đề xuất cho thấy tính khả thi của việc quản lý chất thải một cách bền vững và thay đổi cách nhìn nhận về 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 phát triển này có triển vọng, nhưng cần nhiều nghiên cứu hơn nữa để xác định xem quy trình này có thể được mở rộng 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 các 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.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
