Kraanist tulev vesi tundub puhas, aga selle taga on kasvav olme- ja tööstusreostuse probleem mida on iga aastaga üha raskem kontrollida. Linnade äravoolu, kaevandamise, intensiivse põllumajanduse, naftakeemia ja toidutootmise tõttu kannab reovesi endas ebameeldivat segu raskmetalle, liigseid toitaineid, mürgiseid orgaanilisi ühendeid ja uusi saasteaineid, nagu ravimid ja pestitsiidid.
See kombinatsioon muudab paljud jõed, järved ja põhjaveekihid tõelisteks keemilisteks kokteilideks, kus vesi See lakkab olemast joogikõlbulik, ei sobi ohutuks niisutamiseks ja kahjustab tõsiselt veeökosüsteeme.Selles kontekstis on laborites ja üha enam ka reaalsetes pilootprojektides esile kerkimas mikroskoopiliste liitlaste rühm: mikrovetikad, tõelised saasteainete neelajad ja kõrge lisandväärtusega ressursside tootjad.
Mis on mikrovetikad ja miks nad on vee puhastamisel nii huvipakkuvad?
Mikrovetikad on üherakulised fotosünteesivad organismid, kes elavad veekeskkonnasNeid võib leida nii mage- kui ka soolases vees ja isegi üsna karmides tingimustes reovees. Nagu taimed, kasutavad nad valgust ja CO2.2 kasvada, kuid nad teevad seda palju kiiremini ja väga kõrge fotosünteesi efektiivsusega.
Vee töötlemise seisukohast on nende eriliseks võime püüda kinni toitaineid nagu lämmastik ja fosfor, absorbeerida raskmetalle ja hoida kinni mürgiseid orgaanilisi ühendeidPaljud neist saasteainetest saavad osaks nende biomassist või kinnituvad nende rakupinnale, võimaldades neid veest suhteliselt lihtsate kogumisprotsesside abil eemaldada.
Lisaks, kui mikrovetikad kasvavad Nad tarbivad süsinikdioksiidi ja eraldavad hapnikkuSee on puhastussüsteemides väga kasulik, kuna see soodustab orgaanilise aine oksüdeerumist ja aitab vältida eutrofeerumise episoode jõgedes, veehoidlates ja laguunides.
Nende kiire kasv ja võime äärmuslikes tingimustes edeneda tähendab, et hea majandamise korral saab neid integreerida protsessidesse biopuhastus ja biorafineerimistehas kus eesmärk pole mitte ainult dekontaminatsioon, vaid ka probleemi muutmine majanduslikuks võimaluseks.
Kaevandamisest pärinevad raskmetallid: teadlaste ees seisev väljakutse
Üks keerulisemaid reostusallikaid, millega tegeleda, on kaevandus- ja teatud metallurgiatööstuse reovesiNeed ojad sisaldavad tavaliselt murettekitavalt suures kontsentratsioonis kaadmiumi, vaske, pliid ja muid raskmetalle, mis lahustuvad vees ning liiguvad läbi jõgede ja põhjaveekihtide.
Tugeva kaevandustraditsiooniga piirkondades, näiteks ümbruses Tinto jõgi Huelva provintsisAastakümneid on kuhjunud tõsine keskkonnaprobleem: suure metallisisaldusega vesi, mida ei saa niisutamiseks taaskasutada ja mis nõuetekohase töötlemiseta mõjutab pinnast, elusloodust ja inimeste tervist. Sarnane stsenaarium on tekkimas ka põhja-rootsi, kus on tuvastatud Euroopa suurim haruldaste muldmetallide leiukoht, millega kaasneb kaevandamisega seotud lekete suurenenud oht.
Sellele väljakutsele vastamiseks meeskonnad Ülikooli Huelva ja Umeå Ülikool (Rootsi) Nad on välja töötanud mikrovetikatel põhinevad süsteemid, mis suudavad neid raskmetalle kinni püüda ja kinni pidada isegi siis, kui need tunduvad segunenud, mis juhtub päriselus, mitte õpikute katsetes.
Esimesed katsed näitasid, et teatud mikrovetikate liigid, eriti perekonnast ChlorellaKeskkonnast isoleerituna suutsid nad kaadmiumi või vaske väga tõhusalt eemaldada. Kuid väljakutseks oli minna sammu edasi ja panna see protsess toimima. keeruliste metallide segudega, simuleerides tingimusi, mis on sarnased päris kaevandusheitvetes leiduvate tingimustega.
Mikrovetikate ja polümeeride biokiled: looduslik filter, mis kasutab jäätmeid
Nende uurimisrühmade edu võti on olnud ühendamine tööstusjäätmetest saadud polümeersete materjalidega mikrovetikadKallite tugede või ühekordselt kasutatavate keemiliste reagentide asemel otsustasid nad kujundada materjali, mis on valmistatud jääkväävlist ja kasutatud toiduõlist – kahest kõrvalsaadusest, mis tavaliselt ära visatakse.
Kui mikrovetikad puutuvad kokku selle polümeerse materjaliga, siis a biokile, milles rakud kleepuvad tugevalt aluspinnaleSee kile loob loodusliku filtri, mis püüab kinni kaadmiumi, vase ja pliid, suurendades oluliselt saastunud vee, mikrovetikate ja polümeeri vahelist kokkupuutepinda.
Tulemused avaldati erialaajakirjas Roheline keemia Need näitavad, et pärast kaheksatunnist töötlemist on süsteem võimeline eemaldada umbes 95% kaadmiumist ja vasest ning üle poole pliist vees esinevad isegi suhteliselt suurte kontsentratsioonide korral (suurusjärgus 8–10 milligrammi liitri kohta).
Need katsed on keskendunud eelkõige mikrovetikatele Chlorella sorokinianaSee on tähelepanuväärne oma tugeva rakuseina, keskmise kuni kõrge toksilisusega keskkonda talumise võime ja väga kiire kasvukiiruse poolest, läbides oma arengutsükli mõne päevaga. Teisisõnu, see on liik hästi kohanenud äärmuslike tingimustega ja väga tõhus puhastamiseks.
Teine huvitav aspekt on see, et õige disaini korral võimaldab see süsteem lõksus olevate metallide taastamine polümeerist ja mikrovetikatest tööstuslikuks taaskasutamiseks. See nihutab fookuse probleemi (puhas vesi, aga saastunud biomass) lihtsalt ülekandmiselt lähenemisviisile, mis sulgeb tsükli nende metallide taaskasutamise ja väärindamise teel.
Kuidas mikrovetikad reageerivad raskmetallidele
Huelva ülikooli uurimisrühm keskendus ... Fotosünteetiliste organismide geneetiline täiustamine, on üksikasjalikult uurinud, mis toimub mikrovetikate rakkude sees ja väljaspool, kui need puutuvad kokku raskmetallidega rikastatud veega.
Nad on seda näinud ümberringi 90% metallidest jääb raku pinnale kinnitunudankurdatud mikrovetika seina külge. Ülejäänud 10% tungib rakku, kus aktiveeruvad oksüdatsiooni- ja redutseerimisprotsessid, et vähendada nende elementide toksilisust.
Mõned neist metallidest kogunevad lõpuks vakuoolid, väikerakkude organellid mis toimivad säilituskambritena. See toimub eelkõige kaadmiumi puhul, mis viitab sellele, et mikrovetikatel on spetsiifilised mehhanismid väga mürgiste saasteainete käitlemiseks.
Kuigi sisemine akumuleerumine aitab vähendada keskkonnatoksilisust, tekitab see ka väljakutse: kui kogu see biomass saab raskemetallidega koormatud, on selle otsene kasutamine biokütuste või lisandväärtusega koostisosade jaoks piiratud, kui ei töötata välja tõhusat protsessi esmalt eraldage need metallid biomassist.
Seetõttu uurib osa praegusest tööst, kuidas mikrovetikate kasvu soodustada. adsorbeerivad eelistatavalt metalle oma pinnale ja hõlbustada nende hilisemat desorptsiooni, nii et nii metalle kui ka puhastussüsteemi ennast saab taaskasutada, integreerides seega selge ringmajanduse lähenemisviisi.
Lisaks metallidele: naftaühendid ja naftakeemiline reostus
Raskmetallid pole reovees ainsad peavalu tekitajad; neid on ka naftast ja naftakeemiatööstusest saadud orgaanilised ühendidpaljud neist on püsivad ja väga mürgised kaladele, lindudele ja inimestele.
Hiljutine uuring, avaldatud ajakirjas toxicson näidanud, et teatud mikrovetikad saavad kasutada polütsüklilised aromaatsed süsivesinikud ja muud naftast saadud ühendid süsinikuallikanaTeisisõnu, nad suudavad osa neist saasteainetest "süüa", lagundades neid või muutes need vähem kahjulikeks molekulideks.
Huelva ülikoolis töötavad nad juba selliste projektide kallal nagu AlgaPol, kus adsorbeerivate polümeeride ja mikrovetikate kasutamist kombineeritakse naftakeemiatööstuse keerukate saasteainete käsitlemiseks: fenooliderivaatidest kuni väga ohtlike polütsükliliste aromaatsete ühenditeni.
Seda tüüpi uuringud püüavad kohandada biokilede ja mikrovetikate-polümeeride hübriidsüsteemide kontseptsiooni nii, et need töötaksid mitte ainult metallide segudega, vaid ka ... süsivesinike ja püsivate orgaaniliste ainetega rikastatud lekked, mille jaoks puudub siiani täielikult rahuldav tööstuslik töötlus.
Edusammud näitavad, et hea liikide valiku ja tugimaterjalide täiustatud disaini korral võivad mikrovetikad olla õrnemate dekontaminatsioonitehnoloogiate põhikomponent, väiksema energiatarbimise ja agressiivsete keemiliste reagentide väiksema kasutamisega.
Oliiviveskite reovees leiduvad mikrovetikad: dekontaminatsioon ja biotoodete tootmine
Teine suurt huvi pakkuv valdkond on juhtimine Oliiviõlitehaste ja oliiviõlisektori heitveedNeed veed sisaldavad väga kontsentreeritud orgaanilist ainet ja mürgiseid fenoolühendeid, mis takistavad oluliselt nende otsest ärajuhtimist või kasutamist niisutamiseks ilma eelneva range töötlemiseta.
Keemia-, Keskkonna- ja Materjalitehnika Osakonna meeskond Ülikooli Jaén on uurinud mikrovetikate kasutamist Neokloris oleoabundans et töödelda täpselt neid oliiviveskite veekogusid, saavutades märkimisväärseid tulemusi nii saastest puhastamisel kui ka biomassi tootmisel tööstuslikes rakendustes.
Ajakirjas avaldatud uuring Inseneriteadused bioteadustesSee näitab, et naftareostus võib muutuda ohtlikuks toitainete allikas selle mikrovetika kontrollitud kasvuksVaatamata heitvee esialgsele toksilisusele on valitud liik võimeline edenema ja kasutama vees esinevaid ühendeid ressursina oma arenguks.
Katsetes oli vähenemine ühe ja poole vahel. 66% ja 94% peamistest saasteainetest nendest vetest, jõudes taaskasutamiseks sobiva lõpliku väljavooluni. Samal ajal kogus mikrovetikas väga huvitava koostisega biomassi: umbes 56% süsivesikuid, 51% lipiide ja 49,5% valku.
Nende proportsioonide korral saab seda biomassi kasutada järgmiste toodete tootmiseks: biodiislikütus, bioetanool, bioväetised, kosmeetikatoodete koostisosad või loomasöötSeega luuakse uusi ärivaldkondi paralleelselt oliiviõli tootmisega ja tugevdatakse oliivisalu ringmajanduse mudelit.
Reovee segud: toitainete optimeerimine ja toksilisuse vähendamine
Jaéni ülikooli teadlased ei uurinud ainult ühte oliiviveski veevoolu. Nad hindasid kolm erinevat tüüpi reovett: vesi, mida kasutatakse oliivide pesemiseks enne jahvatamist, vesi, mida kasutatakse õli pesemiseks pärast tsentrifuugimist, ja vool alates linna reovesi reoveepuhastist.
Igal ojas on oma „iseloom“: oliiviveskitest pärit reostus sisaldab palju orgaanilist ainet ja fenoolseid ühendeid, samas kui linnade reostus annab peamiselt ... Lämmastik ja fosfor on mikrovetikate kasvuks hädavajalikudIdee oli neid sobivates proportsioonides kombineerida, et lahjendada toksilisust, pakkudes samal ajal ka vajalikke toitaineid.
Segude kohandamise abil saavutati palju stabiilsem protsess, mille käigus mikrovetikad said kasvada ilma toksilisuse tõttu kokku varisemata, ning saavutati järgmine: nitraatide ja nitritite vähenemine 94%, keemilise hapnikutarbe vähenemine 93% ja fenoolsete ühendite vähenemine 66%Teisisõnu, väga sügav puhastusprotsess, kus kasutatakse jäätmeid, mis olid kuni viimase ajani oliiviõlitehastele suureks peavaluks.
See saadud biomass, mis on rikas lipiidide, valkude ja süsivesikute poolest, muutub seega mitme tööstusliku väljundiga ressurssAlates biokütustest kuni orgaaniliste väetiste ja kosmeetika- või loomasööda lisanditeni, mis sobivad ideaalselt ringmajanduse põhimõtetega.
Järgmine samm, mida meeskond kaalub, on skaleeritud päris oliiviveski tingimustele vastavaksselliste süsteemide kavandamine, mis suudavad töötada suurte kogustega kogu oliiviõli hooaja vältel ja taluvad reovee koostise varieeruvust kogu hooaja jooksul.
Mikrovetikad linna- ja tööstusreovee puhastamisel
Traditsiooniline linna reovee puhastamine tugineb füüsikalis-keemilistele ja bioloogilistele protsessidele, mis, kuigi tõhusad, võivad olla kallis energia ja reagentide osasja tekitavad mõnikord raskesti käideldavat setteid. Selles kontekstis peetakse mikrovetikate kasutamist väga atraktiivseks alternatiiviks või täienduseks.
Munitsipaal- ja tööstusreovesi sisaldab tavaliselt segu toitained (lämmastik ja fosfor), raskmetallid ja tekkivad saasteainedNende hulka kuuluvad ravimite, isikliku hügieeni toodete ja pestitsiidide jäägid. Paljud neist ühenditest on püsivad ja tavapäraste vahenditega raskesti eemaldatavad.
Mikrovetikad on omakorda võimelised suures koguses toitainete sidumiseks, teatud metallide sidumiseks ja koos seotud bakteritega keeruliste orgaaniliste ühendite lagundamiseksFotosünteesi käigus eraldavad nad hapnikku, mis vähendab reaktorites mehaanilise aereerimise vajadust, mis on tavapärase reoveepuhastusjaama üks energiamahukamaid aspekte.
Hiljutise teaduskirjanduse kohaselt võivad mikrovetikatel põhinevad töötlussüsteemid integreerida lähenemisviisi, mis hõlmab järgmist: põhjalik biopuhastusNad puhastavad vett, toodavad hapnikku ja püüavad kinni CO₂.2 ja pakkuda kasutatavat biomassi biokütustes, bioväetistes ja muudes kõrge väärtusega toodetes.
Siiski pole kõik ideaalne: traditsioonilised mikrovetikate biomassi kogumise ja kuivatamise meetodid on sageli... kallis ja väga energiamahukasSee piirab selle laiaulatuslikku rakendamist, kui eraldus- ja väärtustamisprotsesse ei täiustata.
Euroopa projekt WWTBP-by-Microalgae: spirulina ja kõrge väärtusega pigmendid
Euroopa Liidul on hiiglaslik kanalisatsioonivõrk, mis ulatub üle 3,2 miljonit kilomeetrit torustikkemis lõpuks suunatakse puhastusjaamadesse. Siin tulebki mängu Euroopa projekt. Reoveest siniseks pigmendiks mikrovetikate abil (WWTBP mikrovetikate abil), mis keskendub teatud mikrovetikate, näiteks spirulina, potentsiaali ärakasutamisele reovee puhastamisel, luues samal ajal kõrge väärtusega tooteid.
Selles projektis kasutatakse spirulinat toitainete, näiteks nitraatide ja fosfaatide sidumiseks ning saasteainete, sealhulgas teatud raskmetallide eemaldamiseksVee puhastamise ajal toodab see fükotsüaniini, sinist pigmenti, mida hinnatakse kõrgelt toidu-, kosmeetika- ja nutraceutical-tööstuses.
Üks peamisi kitsaskohti oli biomassi kogumise ja kuivatamise kulud, seega keskendus meeskond sellele arendada tõhusamaid ja väiksema energiatarbimisega koristustehnikaidKasutusele võeti kahefaasiline töötlusprotsess ja testiti uut fotosünteetiliste bakterite kapseldamismeetodit. Sünekokokk, merekeskkonnas väga levinud.
Lisaks töötati välja uuenduslik süsteem, mis filtreerimine elektrokoagulatsiooni teel spirulina koristamiseks, vähendades oluliselt vajalikku energiat võrreldes tavapäraste eraldusmeetoditega. See viib need süsteemid reaalsetes rakendustes sammu lähemale majanduslikule tasuvusele.
Projekti uuringud on samuti näidanud, et teatud tingimustel Punase valgusega valgustus suurendab biomassi tootmist ja pigmendi tootlikkustEelkõige on häid tulemusi saadud õlletehaste reovee puhastamisel, kus CO2 kogumine on kombineeritud teiste protsessidega.2, veetöötlus ning kaubandusliku väärtusega pigmentide ja biomassi tootmine.
Rakendamisega seotud väljakutsed: kliima, regulatsioonid ja sotsiaalne aktsepteerimine
Kuigi tehnilised tulemused on väga paljulubavad, seisab mikrovetikatel põhinevate süsteemide massiline rakendamine endiselt silmitsi väljakutsetega. mitmesuguseid praktilisi väljakutseidÜks neist on kliima: paljud mikrovetikate tüved kasvavad halvemini madala temperatuuri ja väiksema päikesekiirguse korral, mis on Euroopa talvedele tüüpiline.
Selle takistuse ületamiseks katsetavad uurimisrühmad külma ja vähese valgusega kohanenud sordid, näiteks Põhja-Euroopas leiduvaid. Need vastupidavad mikrovetikad suudavad puhastumist jätkata isegi siis, kui ilm pole ideaalne.
Lisaks tekitab kultiveerimissüsteemide skaleeritavus tehnilisi ja majanduslikke küsimusi: reaktorid ja fotobioreaktorid tuleb konstrueerida nii, et säilitada stabiilseid saaki suurtes kogustesvõimaldavad head valgustust, hõlbustavad koristamist ja on tavapäraste tehnoloogiatega võrreldes hinna poolest konkurentsivõimelised.
Teine oluline aspekt on regulatiivne ja sotsiaalne arusaam: mikrovetikate biomassi kasutamine reovesi sellistes sektorites nagu toit, kosmeetika või farmaatsia See on rangete eeskirjade ja teatud määral tarbijate umbusalduse all, isegi kui lõpptooted on puhastatud ja kontrollitud.
Seetõttu hõlmavad sellised projektid nagu WWTBP-by-Microalgae ka arendamist äriplaanid, turu-uuringud, juriidiline analüüs ja kommunikatsioonistrateegiad, eesmärgiga leida elujõulisi rakendusniše ja tagada protsesside vastavus kõigile kehtivatele eeskirjadele.
Mikrovetikatel põhineva ringmajanduse suunas
Paljudel kirjeldatud algatustel on ühine lähenemisviis: muuta kunagi probleemsed jäätmed väärtuslikuks ressursiks. kasutatud toiduõli, jääkväävel, oliiviõlitehase heitvesi või õlletehase reovesi mikrovetikate kasvatamise substraatide või tugimaterjalidena sobib ideaalselt ringmajanduse loogikaga.
Selle asemel, et investeerida energiat ja raha ainult saasteainete eemaldamisse, on idee integreerida protsesse, milles mikrovetikad Nad puhastavad vett, nad püüavad kinni CO₂2 ja toota biomassi mõeldud biokütuste, bioväetiste, looduslike pigmentide või muude tööstuslikku huvi pakkuvate toodete jaoks.
Sellised süsteemid võivad leevendada ka veekogudele avalduvat survet, vähendades eutrofeerumise ohtu, parandades jõgede ja järvede ökoloogilist kvaliteeti ning aidates kaasa vähendada paljude tööstustegevuste süsiniku jalajälgeKõik see ilma, et peaks alati pöörduma agressiivsete või äärmiselt kallite keemiliste töötluste poole.
Tööd on veel ees: väljakutseid on ulatuse suurendamise, koristamise optimeerimise, metallide eraldamise ja erinevat tüüpi heitvetega kohanemisega. Kuid kogemused Huelvas, Umeås, Jaénis, Gentis ja teistes keskustes näitavad, et mikrovetikad on palju enamat kui lihtsalt biokütuste ressurssNad on strateegilised liitlased vee puhastamise ja jäätmetega tegelemise ümbermõtestamisel.
Veekriisi, kliimamuutuste ja vastutustundlikumate tööstusprotsesside vajaduse tõttu kindlustavad mikrovetikad oma positsiooni loomulik, paindlik ja üllatavalt mitmekülgne lahendus, mis on võimeline ühendama biotehnoloogia, keskkonnakaitse ja uued majanduslikud võimalused ühtseks süsteemiks.