ویژگی ها و کاربردهای روش های تثبیت ادرار: مروری

وی یانگ 1، جیانان لی 1 و ژئوجینگ یانگ 1،2 *

• 1 آزمایشگاه ملی مهندسی برای تصفیه فاضلاب صنعتی، دانشگاه علم و فناوری چین شرقی (ECUST)، شانگهای، چین
• 2 آزمایشگاه کلید دولتی مهندسی شیمی، دانشگاه علم و فناوری چین شرقی، شانگهای، چین

بازیابی مواد مغذی از آب غیر متعارف مانند فاضلاب خانگی به عنوان یک راه حل پایدار برای بهداشت محیط، بهداشت فردی، آب و مسائل ایمنی مواد غذایی در نظر گرفته می شود. جداسازی ادرار از منبع و تکنیک‌های درمان متوالی، رویکردهای امیدوارکننده‌ای برای بازیابی منابع از این آب نامتعارف هستند. با این حال، در ذخیره سازی ادرار، اوره تحت اثر اوره آز هیدرولیز می شود و در نتیجه بو، رسوب و از دست دادن آمونیاک به وجود می آید که در فرآیند بازیافت ادرار باید بر آن غلبه کرد. این مرور تحقیقات مربوط به تثبیت ادرار را گردآوری می‌کند، و هدف آن خلاصه کردن ویژگی‌ها و کاربردهای روش‌های تثبیت ادرار موجود، مانند اسیدی‌سازی، قلیایی‌سازی، الکتروشیمی، مهارکننده‌ها و غیره است. محیط زیست؛فناوری الکتروشیمیایی برای تأسیسات بهداشتی غیرمتمرکز مناسب است، اما مدت زمان مهار کوتاه است. مهارکننده ها کمترین اثر را دارند و معمولاً برای تنظیم فعالیت های اوره آز در محیط خاک به جای تثبیت ادرار استفاده می شوند. انتخاب رویکردهای مناسب تثبیت ادرار باید بر دیدگاه کلی استفاده از منابع ادرار تمرکز کند، روش جداسازی و فرم بازیابی را در نظر بگیرد و آن را با فناوری غلظت ترکیب کند.

معرفی

آب یک منبع طبیعی است که موجودات زنده به آن بستگی دارد. این نه تنها به طور مستقیم با سلامت انسان مرتبط است ، بلکه از نظر انرژی و غذا بر زندگی افراد نیز تأثیر می گذارد. با این حال ، وضعیت فعلی عرضه و تقاضای آب جهانی خوش بین نیست. از دهه 1980 ، به دلیل رشد جمعیت ، توسعه اقتصادی و اجتماعی و تغییر در الگوهای مصرف ، مصرف جهانی آب هر سال 1 ٪ افزایش یافته است. متأسفانه ، انتظار می رود این وضعیت تا حداقل 2050 ادامه یابد ، هنگامی که مصرف آب در طی دوره فعلی 20 تا 30 ٪ افزایش می یابد. بیش از یک ماه هر سال ، حدود 4 میلیارد نفر از کمبود آب شدید رنج می برند و 22 کشور با خطرات جدی کمبود آب روبرو خواهند شد (برنامه ارزیابی جهانی آب سازمان ملل (WWAP) ، 2017 ، 2019). از آنجا که تقاضا برای آب همچنان در حال افزایش است و تأثیر تغییرات آب و هوایی شهودی تر می شود ، آنها بر استفاده پایدار از منابع آب تأثیر می گذارد و خطر احتمالی درگیری بین کاربران را افزایش می دهد.

از آنجا که مفهوم توسعه پایدار توسط اکثر کشورها پذیرفته شده است ، ایده بازیافت منابع از فاضلاب توسط دولت ها به شدت ترویج شده و به طور فزاینده ای توسط مردم پشتیبانی می شود. فاضلاب خانگی در فاضلاب یک آب غیر متعارف معمولی است که به دلیل تغذیه غنی از آن ، به یک انتخاب جذاب برای استفاده مجدد از آب غیر متعارف تبدیل شده است. ادرار بخش مهمی از فاضلاب خانگی است که حاوی آن است~50 ٪ فسفر و 70-85 ٪ ازت (به شکل اوره) در فاضلاب توالت (ساندبرگ ، 1995). به عنوان یک ماده آلی حاوی نیتروژن ، اوره نقش مهمی در چرخه جهانی مواد مغذی ایفا می کند و یک مولکول اصلی در رابطه با آب و آب است (شکل 1). در سال 2020 ، 132 میلیون نفر به دلیل تأثیر بیماری همه گیر Covid از کمبود تغذیه رنج می برند (FAO ، 2020). روش اساسی برای حل این مشکل افزایش مداوم بهره وری تحت فرض مصرف پایدار منابع طبیعی ، اطمینان از یکپارچگی و بهینه سازی کلیه پیوندها در زنجیره تأمین مواد غذایی و افزایش قدرت خرید گروههای محروم است. بازیافت اوره از فاضلاب ادرار بدون شک روشی پایدار برای تبدیل زباله به گنج است ، به طور موثری وابستگی به روش هابر-بوش برای تولید کود ، صرفه جویی در هزینه ها و کاهش تأثیرات زیست محیطی ، به ویژه در کشورهای در حال توسعه (Akpan-Idiok و همکاران ، کاهش می یابد. 2012 ؛ Andersson ، 2015 ؛ Araújo et al. ، 2019). در مقایسه با کودهای معدنی ، کودهای ادرار نیاز به انرژی و تأثیر بر محیط زیست را کاهش می دهد (Medeiros et al. ، 2020). این ممکن است به زودی به بخش مهمی از مدیریت فاضلاب زیست محیطی تبدیل شود.

شکل 1 . چرخه اوره در طبیعت.

استفاده از ادرار و مدفوع به عنوان کودهای طبیعی را می توان در دوران باستان ردیابی کرد ، اما خطرات زیست محیطی و بهداشتی وجود دارد (آنجلکیس و رز ، 2014). اگر مقدار زیادی از ادرار غنی از مواد مغذی بدون هیچ گونه درمان تخلیه شود ، به راحتی منجر به اتروفیک شدن آب و خاک می شود و میکروارگانیسم های موجود در دفع نیز ممکن است باعث انتقال بیماری شود. هدف پایدار 6. 2 که توسط سازمان ملل ارائه شده است: تا سال 2030 ، دسترسی به بهداشت و بهداشت مناسب و عادلانه برای همه و پایان دادن به نقص باز ، توجه ویژه ای به نیازهای زنان و دختران و افراد در شرایط آسیب پذیر. با این حال ، تنها 2. 9 میلیارد نفر (39 ٪) در سراسر جهان تا سال 2015 به خدمات بهداشتی با ایمن مدیریت شده دسترسی داشتند (WHO ، 2018)."گزارش توسعه آب جهانی 2019" منتشر شده توسط سازمان ملل بر لزوم اجرای برنامه "2030 برای توسعه پایدار" و به رسمیت شناختن حقوق بشر آب آشامیدنی ایمن و فاضلاب تأکید کرد ، که هر دو برای ریشه کن کردن فقر و ایجاد یک مرفه ضروری هستندجامعه (Andersson ، 2015 ؛ Araújo et al. ، 2019 ؛ برنامه ارزیابی آب جهانی سازمان ملل (WWAP) ، 2019).

از قرن گذشته ، مردم شروع به ارزیابی علمی روش ها و اثرات استفاده از منابع ادرار کرده اند. امروزه بیشتر کشورها حالت زهکشی سنتی توالت را اتخاذ می کنند. مقدار زیادی از آب تمیز برای رقیق کردن مدفوع انسان ، ادرار و سایر دفع ها استفاده می شود ، مخلوط و برای تصفیه متمرکز از طریق شبکه لوله های شهری به تصفیه خانه فاضلاب منتقل می شود. این حالت درمانی نه تنها منابع آب زیادی را مصرف می کند ، بلکه مسیر زیست محیطی مواد مغذی موجود در مدفوع و بازگشت ادرار به زمین را نیز به طور کامل مسدود می کند. با افزایش رشد شهرداری و جمعیت انسانی ، تخلیه فاضلاب و بار آلودگی بیش از ظرفیت خود و ظرفیت اجسام آب طبیعی است. به منظور برآورده کردن الزامات بهداشتی و الزامات حفاظت از محیط زیست ، لازم است بازسازی و گسترش سیستم تصفیه فاضلاب ، سیستم تخلیه و بهبود مداوم سطح تصفیه فاضلاب ، که با افزایش زیاد سرمایه گذاری همراه است ، انجام شود. و همچنین هزینه های بهره برداری و نگهداری. از طرف دیگر ، در بسیاری از کشورها و مناطق ، به دلایل اقتصادی و فنی ، این سیستم زهکشی سنتی نمی تواند ساخته و بهره برداری شود.

برای حل این مشکل ، سوئد برای اولین بار سیستم جداسازی منبع ادرار را به عنوان یک جایگزین پایدار برای سیستم های تصفیه فاضلاب متمرکز در سال 1980 پیشنهاد کرد. سیستم جداسازی منبع به این معنی است که ادرار به طور جداگانه از مدفوع و سایر آب های خانگی از طریق تحول در امکانات بهداشتی جمع آوری می شود و به طور جداگانه تحت درمان قرار می گیرد. با توجه به ویژگی های آنهااز سال 1997 ، مجموعه ای از شیوه های زهکشی جداسازی منبع ، به رهبری کشورهای اروپایی منتشر شده است. در سال 1997 ، انستیتوی علوم و فناوری فدرال فدرال سوئیس (EAWAG) توالت های Nomix را در چندین پروژه آزمایشی کوچک در پروژه Novaquatis معرفی کرد (Hellström and Johansson ، 1999 ؛ Lienert and Larsen ، 2006). در همان سال ، دولت دانمارک 42 میلیون دلار آمریکا در اجرای "برنامه فعالیت اکولوژیکی" سرمایه گذاری کرد. دولت آلمان در سال 2001 با هدف اصلی ایجاد یک پروژه تظاهرات سیستم سازگار با محیط زیست در شهرهای پرجمعیت ، یک برنامه سیستم سازگار با محیط زیست را راه اندازی کرد. در سراسر جهان ، سازمان های مهم بین المللی مانند موسسه تحقیقات محیط زیست استکهلم (SEI) ، شرکت همکاری های فنی آلمان (GIZ) ، انستیتوی کیفیت آب فدرال سوئیس (EAWAG) ، کمیته فنی فنی اکو-سانیت انجمن بین المللی ، یونیسف ، سازمان بهداشت جهانی(WHO) ، بنیاد بیل و ملیندا گیتس (BMGF) ، و غیره ، همه به طور فعال فناوری زهکشی جداسازی منبع را ارتقا داده اند (گژورل و همکاران ، 2003 ؛ وانگ و بائو ، 2007 ؛ بیل و همکاران ، 2008 ؛ بدک و ریدرستولپ ، 2008)بشر

از سیستم ادرار جدا شده از منبع برای دستیابی به اهداف بهداشتی استفاده می شود ، که برای بازیابی مؤثر مواد مغذی ، کنترل ساده میکرو آلوده کننده ها و کاهش خطرات سلامتی از پاتوژن های مدفوع مفید است (لارسن و گجر ، 1996 ؛ گانزاپیلی و همکاران ،2016). با این حال ، هنوز هم در هنگام ذخیره ، حمل و نقل و استفاده از ادرار جدا شده منبع ، مشکلات زیادی وجود دارد. ادرار دفع شده به طور کلی دارای pH اولیه 4. 8-7. 5 است ، و حدود 75-90 ٪ ازت به شکل اوره وجود دارد ، که فقط بوی کمی عجیب و غریب تولید می کند ، اما از طریق ذخیره سازی ، بخشی از اوره به سرعت هیدرولیز می شود و باعث می شودpH به 9. 0-9. 3 ، همراه با بارش و گاز آمونیاک با بوی تند (Diem ، 1970 ؛ Stenström et al. ، 2000). یون های کلسیم و منیزیم موجود در ادرار به طور خودبخود به عنوان کلسیم فسفات ، استرویت و کلسیت به دلیل افزایش pH ، به ویژه در ادرار بدون چربی رسوب می کنند. مقیاس و مسدود کردن لوله توالت ، که در موارد مهندسی جداسازی منبع رایج است ، آسان است و باعث ایجاد مشکلات بزرگی در عملکرد و نگهداری سیستم می شود. این تبدیل نامطلوب مقدار زیادی ازت را از دست می دهد و راندمان بهبودی را کاهش می دهد و مانع اجرای و ارتقاء فناوری جداسازی منبع ادرار می شود (Udert et al. ، 2003b ، 2006). بنابراین ، باید از طریق اقدامات مناسب در پروژه ، یعنی ادرار ابتدا در پیش درمانی قبل از بهبودی تثبیت شود. بر اساس این مشکل ، روشی برای ترویج مصنوعی هیدرولیز کامل اوره و سپس بازیابی بارش استرویت برای استفاده مجدد از مواد مغذی در ادرار اتخاذ شده است (Udert et al. ، 2003a ؛ Fumasoli et al. ، 2015 ؛ Olofsson ، 2016). با این حال ، در مقایسه با ضبط اوره ، این روش دست و پا گیر است و بر محیط زیست تأثیر منفی می گذارد (Xu ، 2008). با توجه به تجزیه و تحلیل چرخه عمر استفاده از ادرار به عنوان کود ، کنترل فرار آمونیاک کلید اصلی کاهش اسیدی شدن و اثرات اتروفیک است (Medeiros et al. ، 2020).

هیدرولیز اوره و استابلاسیون ادرار

در سال 1824 ، ولهلر با مخلوط کردن اسید سیانیک با آمونیاک و سپس تبخیر محلول ، سیانات آمونیوم را سنتز کرد ، اما به طور تصادفی اوره را در محصول به دست آورد (شکل 2) ، که به شدت ثابت کرد که ماده ارگانیک می تواند از ماده معدنی سنتز شود ، نظریه حیاتی را که مانع شده است ، برطرف کردتوسعه شیمی در آن زمان. در سال 1895 ، واکر و هامبلی برای اولین بار متوجه واکنش معکوس سنتز اوره وولر شدند (واکر و هامبلی ، 1895). پس از آن ، واکنش تجزیه اوره در حضور اسید و پایه مورد بحث قرار گرفت (Fawsitt ، 1902 ؛ Weer ، 1918 ؛ Waer ، 1942). هنگامی که در یک محلول آبی حاوی اسید یا قلیایی گرم می شود ، توانایی تجزیه اوره به طور کلی به توانایی آن در تجزیه آمونیاک و اسید سیانیک بستگی دارد و هیدرولیز اسید سیانیک و استر سیتنات اساسی یک مرحله نماینده هیدرولیز اوره است.

شکل 2 . سنتز Wohler.

اوره یک ترکیب پایدار با نیمه عمر 3. 6 سال است که از نظر شیمیایی بدون آنزیم در دمای 38 درجه سانتیگراد هیدرولیز می شود ، در حالی که ادرار آلوده به مدفوع معمولاً خصوصیات هیدرولیز مثبت را نشان می دهد ، که میزان هیدرولیز حتی به 10 4 برابر هیدرولیز شیمیایی می رسد(اندروز و همکاران ، 1984 ؛ آمتول و همکاران ، 2002). Hotta و Funamizu روند رشد ، کاهش و مهار پتانسیل آمون سازی را در طی فرآیند ذخیره ادرار با آلودگی مدفوع مشاهده کردند (Hotta and Funamizu ، 2008b). دلیل این پدیده این است که مدفوع حاوی انواع باکتری های حاوی اوراز است ، که اوره را هنگام مخلوط کردن با ادرار هیدرولیز می کند (سوزوکی و همکاران ، 1979). در یک سیستم جداسازی منبع ، این واکنش معمولاً به دلیل آلودگی متقاطع مدفوع باقیمانده در کاسه توالت و لوله فاضلاب یا بیوفیلم تشکیل شده بر روی سطح لوله اتفاق می افتد. باکتری های موجود در هوا همچنین می توانند منبع جایگزین عفونت باشند. اوراس ، الیگومراز حاوی نیکل ، که به طور گسترده در طبیعت باکتری ها ، قارچ ها ، گیاهان ، جلبک ها و بی مهرگان وجود دارد ، بر هیدرولیز اوره حاکم است (کارین و همکاران ، 2018). ساختار آن در شکل 3 نشان داده شده است. از آنجا که اوراس دارای سایت های فعال دو نیکل است ، هنگام تعامل با اوره ، یکی اوره بستر را به هم متصل و فعال می کند ، و دیگری مولکول های آب را به هم متصل می کند و فعال می کند (Ciurli et al. ، 1999 ؛ Amtul et al.، 2002). به طور کلی اعتقاد بر این است که واکنش هیدرولیز اوره توسط اوره آزادی از چهار مرحله تشکیل شده است. معادله واکنش کلی (1) و معادلات مرحله به مرحله (2) - (5) به شرح زیر است (Mobley and Hausinger ، 1989).