Các nhà khoa học tại Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore (NTU Singapore) đã phát triển một quy trình đột phá sử dụng năng lượng mặt trời để chuyển đổi bùn thải – sản phẩm phụ từ xử lý nước thải – thành hydro xanh cho năng lượng sạch và protein đơn bào làm thức ăn chăn nuôi.
Được công bố trên tạp chí Nature Water, phương pháp đổi mới từ bùn thành thực phẩm và nhiên liệu này giải quyết hai thách thức toàn cầu cấp thiết: quản lý chất thải và tạo ra nguồn tài nguyên bền vững. Quy trình cũng phù hợp với cam kết của NTU trong việc giải quyết các vấn đề lớn như biến đổi khí hậu và phát triển bền vững 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, cùng với sự mở rộng công nghiệp, sẽ dẫn đến việc gia tăng đáng kể lượng bùn thải. Việc xử 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 và con số này đang ngày càng tăng. Tuy nhiên, các phương pháp xử lý phổ biến hiện nay – như đốt hoặc chôn lấp – đều tốn thời gian, kém hiệu quả về năng lượng và góp phần gây ô nhiễm môi trường.
Nhằm giải quyết vấn đề bùn thải không mong muốn và khó xử lý, các nhà nghiên cứu NTU đã tạo ra 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 minh chứng cho thấy quy trình của nhóm NTU hiệu quả hơn các kỹ thuật truyền thống như phân hủy kỵ khí (anaerobic digestion) – trong đó vi khuẩn phân hủy chất thải hữu cơ để tạo ra khí sinh học và bã giàu dinh dưỡng. Phương pháp mới này thu hồi nhiều tài nguyên hơn đáng kể, loại bỏ hoàn toàn các chất gây ô nhiễm kim loại nặng, tác động sinh thái ít hơn và mang lại tính khả thi kinh tế cao hơn.
Phó Giáo sư Li Hong, trưởng nhóm nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật Cơ khí và Hàng không vũ trụ (MAE) và Viện Nghiên cứu Năng lượng tại NTU, cho biết: “Phương pháp của chúng tôi biến chất thải thành tài nguyên có giá trị, giảm thiểu tác động đến môi trường trong khi tạo ra năng lượng tái tạo và thực phẩm bền vững. Đây là ví dụ điển hình cho nền kinh tế tuần hoàn và đóng góp vào một tương lai xanh hơn.”
Giáo sư Zhou Yan, đồng trưởng nhóm nghiên cứu từ Trường Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường (CEE) và Viện Nghiên cứu Nước và Môi trường Nanyang (NEWRI), chia sẻ: “Quy trình sử dụng năng lượng mặt trời của chúng tôi cho thấy cách mà chúng ta có thể giải quyết nhiều thách thức cùng lúc, biến một loại chất thải khó xử lý thành năng lượng sạch và protein dinh dưỡng. Bằng cách tích hợp các phương pháp cơ học, hóa học và sinh học, chúng tôi đã thành công trong việc xử lý ô nhiễm và khan hiếm tài nguyên, mở ra một chiến lược bền vững mới cho quản lý nước thải.”
Quy trình ba bước của NTU
Quy trình bắt đầu bằng việc phá vỡ cơ học bùn thải. Một bước xử lý hóa học sẽ tách các kim loại nặng độc hại khỏi các vật liệu hữu cơ như protein và carbohydrate.
Tiếp theo, quy trình điện hóa sử dụng năng lượng mặt trời và các điện cực chuyên dụng để biến đổi các vật liệu hữu cơ thành các sản phẩm có giá trị, như axit axetic – một thành phần chính trong ngành thực phẩm và dược phẩm – cùng khí hydro là nguồn năng lượng sạch.
Cuối cùng, các vi khuẩn kích hoạt bởi ánh sáng sẽ được đưa vào dòng dung dịch đã qua xử lý. Các vi khuẩn này chuyển hóa chất dinh dưỡng thành protein đơn bào phù hợp cho thức ăn chăn nuôi.
Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy phương pháp mới thu hồi 91,4% carbon hữu cơ trong bùn thải và chuyển đổi 63% carbon hữu cơ thành protein đơn bào mà không tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Trong khi đó, phương pháp phân hủy kỵ khí truyền thống chỉ 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 từ ánh sáng mặt trời, hiệu quả hơn khoảng 10% so với các phương pháp tạo hydro thông thường.
Quy trình của NTU giúp giảm 99,5% lượng khí thải carbon và 99,3% mức sử dụng năng lượng so với các phương pháp truyền thống. Phương pháp này cũng loại bỏ hoàn toàn các kim loại nặng độc hại trong bùn thải, vốn sẽ bị thải bỏ nếu không được xử lý đúng cách, nhờ đó giúp cho quy trình trở thành lựa chọn thân thiện với môi trường.
Tiến sĩ Zhao Hu, tác giả đầu tiên và là Nghiên cứu sinh tại Trường MAE, cho biết: “Chúng tôi hy vọng phương pháp đề xuất này sẽ chứng minh được tính khả thi trong việc quản lý chất thải một cách bền vững và thay đổi cách nhìn nhận về bùn thải – từ chất thải thành tài nguyên quý giá hỗ trợ sản xuất năng lượng sạch và thực phẩm bền vững.”
Nhóm nghiên cứu NTU cho biết thêm rằng mặc dù quy trình mới rất hứa hẹn, nhưng vẫn cần thêm các nghiên cứu để xác định khả năng mở rộng. Một thách thức chính là chi phí của quy trình điện hóa để phá vỡ hoàn toàn các vật liệu hữu cơ và tách toàn bộ kim loại nặng khỏi chất thải. Ngoài ra, việc thiết kế một hệ thống phức tạp cho cơ sở xử lý nước thải cũng là một trở ngại lớn.
Nhóm nghiên cứu của Đại học Công nghệ Nanyang (NTU) là các tác giả của phương pháp sử dụng năng lượng mặt trời để chuyển đổi bùn thải thành hydro xanh và thức ăn chăn nuôi. Từ trái sang phải là Phó Giáo sư Li Hong, Trường Kỹ thuật Cơ khí và Hàng không Vũ trụ (MAE); Giáo sư Zhou Yan, Trường Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường (CEE) kiêm Viện Nghiên cứu Môi trường và Nước Nanyang (NEWRI); và Tiến sĩ Zhao Hu, Nghiên cứu viên, Trường MAE. Ảnh: NTU Singapore
