Last News

مقاله "مروری بر سیستم‌های بیوالکتروشیمیایی در بازیابی مواد ارزشمند از ادرار انسان" منتشر شد.

رشد سریع اجتماعی-اقتصادی، چالشهای عظیمی مانند کمبود آب، نیاز بیشتر به مواد مغذی جهت برطرف نمودن انتظارات غذایی روزافزون جوامع و کمبود انرژی را ایجاد نموده است. پساب عنصری کلیدی در شبکه آب-انرژی-غذا محسوب می شود و بدون شک می‌تواند راه حلی امیدوارکننده را در راستای کاهش این چالش های نوظهور از طریق بازیابی نوآورانه منابع در اختیار قرار دهد. از همین رو، تلاش های گسترده ای در راستای تبدیل فرآیندهای تصفیه متعارف و پر مصرف پساب به فرآیند بازیابی منابع ارزشمند از جمله مواد مغذی (به عنوان مثال، نیتروژن و فسفر)، انرژی زیستی حاصل از پساب های آلی و آب با کیفیت بالا جهت بازچرخانی و استفاده مجدد، صورت گرفته شده است. لازم به ذکر است که اکسیداسیون کامل سهم آلی در پساب شهری از دیدگاه تئوری، محتوای انرژی معادل ۱.۹۳ کیلووات ساعت به ازای هر مترمکعب پساب تولید نموده و بازیابی مستقیم مواد مغذی از آن جهت تولید کودهای کشاورزی می تواند تا ۰.۷۹ کیلووات ساعت بر مترمکعب، مصرف انرژی را کاهش دهد. تغییر دیدگاه جوامع امروزی به سمت در نظر گرفتن پساب به عنوان یک منبع با ارزش، توسعه فن آوری های تصفیه مقرون به صرفه در راستای بازیابی منابع را ترغیب می کند. در میان فناوریهای توسعه یافته ی نوین، سیستم های بیوالکتروشیمیایی (BES) با دربرداشتن کاربردهایی متنوع جهت نیل به اهداف خاص بازیابی منابع ارزشمند و انعطاف پذیری گسترده تر در تصفیه انواع پساب، پتانسیلی چشمگیر را به نمایش گذاشته‌اند.

یک سیستم بیوالکتروشیمیایی، به طور معمول، با به کارگیری انواع خاصی از میکروارگانیسم های فعال از نظر الکتروشیمیایی از جمله اگزوالکتروژن ها که به عنوان بیوکاتالیستهای آندی، اکسایش بی هوازی مواد آلی موجود در پساب را با اهدای الکترون به الکترود، کاتالیز نموده و یا الکتروتروف ها که با دریافت الکترون از کاتد منجر به کاهشCO2/HCO3-  می شوند، عمل می نماید. الکترون های رها شده از آند توسط یک مدار خارجی به پذیرنده الکترون انتهایی در کاتد منتقل شده و منجر به تولید جریان الکتریکی می گردند. سیستم‌های بیوالکتروشیمیایی می توانند بر اساس نوع عملکرد مربوطه در چندین گروه دسته بندی شوند: ۱) سلول های سوختی میکروبی (MFC) که بر تولید مستقیم جریان برق با حضور اکسیژن به عنوان پذیرنده الکترون، تمرکز دارند؛ ۲) سلول های الکترولیز میکروبی (MEC) که قادر به تولید گاز هیدروژن و/یا غنی سازی مواد مغذی تحت اعمال ولتاژ خارجی، می باشند؛ ۳) سلول های الکتروسنتز میکروبی (MES) که مشابه MEC عمل نموده و به واسطه کاتالیست های میکروبی موجود در کاتد، می توانند دی اکسید کربن را به مواد آلی گوناگون کاهش دهند؛ و ۴) سلول های نمک زدایی میکروبی (MDC) که خود می توانند توسط ایجاد میدان الکتریکی یا به کمک منبع تغذیه خارجی، آب شیرین را از آب دریا یا آب شور تولید کنند. تلاشهای پژوهشی صورت گرفته در دهه گذشته، تا حد بسیاری از جنبه های میکروبیولوژیکی، الکتروشیمیایی و علم مواد، به توسعه فناوریBES  انجامیده است؛ و منجر به درکی عمیق تر از تجزیه و تحلیل جامعه میکروبی، طراحی راکتور، انتخاب کاتالیست و توسعه غشا و در عین حال، تلاشی فزاینده برای افزایش مقیاس این سیستم ها برای تصفیه پساب واقعی شده است.

 از همین رو، بر اساس جایگاه ویژه کنونی و آینده روشن فناوری BES در تحقیقات آکادمیک در زمینه تصفیه پساب و بازیابی منابع ارزشمند آن، آزمایشگاه تحقیقات کاربردی آب و فاضلاب گروه شیمی کاربردی در سالهای اخیر، بستری را جهت طراحی، ساخت و بررسی عملکرد سیستم های بیوالکتروشیمیایی گوناگون با هدف تصفیه فاضلاب و بازیابی منابع و انرژی از آن، فراهم نموده است.

در همین راستا، مقاله‌ای مروری تحت عنوان:

“Waste or Gold? Bioelectrochemical Resource Recovery in Source-Separated Urine”

در سال ۲۰۲۰ در نشریه بسیار معتبر Trends in Biotechnology (IF=19.536) توسط تیمی از پژوهشگران آزمایشگاه تحقیقات کاربردی آب و فاضلاب و گروه بیوتکنولوژی دانشگاه صنعتی دلفت به سرپرستی دکتر زینتی‌زاده به چاپ رسید.

محوریت اصلی مقاله مذکور بر مرور عملکرد تصفیه‌ای و بازیابی منابع از ادرار تفکیک شده از فاضلاب شهری در سیستم‌های بیوالکتروشیمیایی، شامل سلولهای سوختی میکروبی (MFC) و سلولهای الکترولیز میکروبی (MEC)، در دهه اخیر بنا نهاده شده و با به کارگیری تحلیل مقایسهای از روند توسعه سیستم‌های یاد شده، مسیری موثر به سمت افزایش مقیاس و توسعه صنعتی آنها پیشنهاد شده است.

مطالعه حاضر، با توجه به اهمیت تصفیه پساب و بازیابی منابع ارزشمند آن، ادرار تفکیک شده انسان از فاضلاب شهری را بستری بالقوه در این زمینه معرفی می‌نماید که می‌تواند مزایایی از جمله (1) جلوگیری از ورود بیش از حد مواد مغذی به منابع آب و  شکل‌گیری اوتریفیکاسیون که تأثیرات شدیدی بر اکوسیستم به همراه دارد، (2) تامین پایدار انرژی و سوخت و (3)  همگام شدن با افزایش ۳ الی ۴ درصدی تقاضای سالیانه برای کودهای حاوی مواد مغذی لازم مانند نیتروژن (N)، فسفر (P) و پتاسیم(K)  برای رشد بیشتر محصولات زراعی را در پی داشته باشد.

متوسط ​​تولید روزانه ی ادرار توسط یک فرد ۱.۵ لیتر است که حاوی ۱۱ گرم نیتروژن، ۱ گرم فسفر و ۲.۶ گرم پتاسیم می‌باشد. در فاضلاب شهری به طور معمول و به ترتیب، ۷۹، ۴۷ و ۷۱ درصد از بارهای ورودی N، P و K به تصفیه خانه فاضلاب از ادرار نشات می‌گیرد. این میزان مواد مغذی در ادرار حاکی از پتانسیل آن برای تولید کود می باشد. اوره (۳ ± ۲۱ گرم در لیتر) ترکیب اصلی محلول و منبع اصلی نیتروژن در ادرار می باشد. در زمینه بازیابی انرژی و سوخت نیز محتوای کربن آلی ادرار که شامل اسیدهای آلی، کراتین، اسیدهای آمینه و کربوهیدراتها است، نقش اصلی را بر عهده دارد.

ادرار انسان، با وجود داشتن پتانسیلی بالا به عنوان منبعی از مواد مغذی و انرژی، تنها ۱ درصد از حجم پساب شهری را شامل می شود و رقت ۱۰۰ باره ی مواد مغذی موجود در آن پیش از رسیدن به تصفیه خانه، فرآیند بازیابی آن ها را از نظر صرف انرژی و هزینه بسیار پیچیده می‌سازد. از این رو، ادرار باید از منبع فاضلاب شهری تفکیک شده و در آن صورت می‌تواند به عنوان منبعی مناسب برای بازیابی مواد انرژی، سوخت و ترکیبات ارزشمند محسوب شود.

با توجه به خواص منحصر به فرد و مفید ادرار تفکیک شده از فاضلاب شهری، طیف وسیعی از فناوری های فیزیکوشیمیایی و بیولوژیکی برای بازیابی اجزای ارزشمند آن در نظر گرفته شده است. در میان این فناوری ها، سیستمهای بیوالکتروشیمیایی (BES) بهعنوان جایگزینی مطلوب از نظر فنی و اقتصادی برای بازیابی منابع پایدار از ادرار تفکیک شده، نویدبخش هستند.

مقاله مروری حاضر با بررسی تعداد فزاینده انتشارات اخیر در زمینه بازیابی مواد مغذی و انرژی از ادرار به روش بیوالکتروشیمیایی و پیشرفت‌های چشمگیر صورت گرفته در راستای بازیابی مواد مغذی بدون نیاز به مصرف مواد شیمیایی و انرژی زیاد، آینده روشن این حوزه را نشان میدهد.

 

Tags:

دانشگاه رازی
علی اکبر زینتی زاده
پژوهشگر
بیوالکتروشیمیایی

آخرین اخبار