המים היוצאים מהברז נראים נקיים, אבל מאחוריהם יש בעיה גוברת של זיהום ביתי ותעשייתי אשר הופך קשה יותר לשליטה משנה לשנה. בין נגר עירוני, כרייה, חקלאות אינטנסיבית, פטרוכימיה וייצור מזון, מי שפכים נושאים תערובת לא נעימה של מתכות כבדות, עודפי חומרים מזינים, תרכובות אורגניות רעילות ומזהמים חדשים כמו תרופות וחומרי הדברה.
שילוב זה הופך נהרות, אגמים ואקוויפרים רבים לקוקטיילים כימיים של ממש שבהם המים הוא מפסיק להיות ראוי לשתייה, אינו מתאים להשקיה בטוחה ופוגע קשות במערכות אקולוגיות מימיות.בהקשר זה, קבוצה של בעלי ברית מיקרוסקופיים צוברת חשיבות במעבדות, ויותר ויותר, בפרויקטים פיילוט אמיתיים: מיקרו-אצות, זוללות מזהמים אמיתיות ומחוללות משאבים בעלי ערך מוסף גבוה.
מהן מיקרו-אצות ומדוע הן כה מעניינות לטיהור מים?
מיקרו-אצות הן אורגניזמים פוטוסינתטיים חד-תאיים החיים בסביבות מימיותניתן למצוא אותם גם במים מתוקים וגם במים מלוחים, ואפילו במי שפכים בתנאים קשים למדי. כמו צמחים, הם משתמשים באור וב-CO2.2 לגדול, אבל הם עושים זאת בקצב מהיר הרבה יותר ועם יעילות פוטוסינתטית גבוהה מאוד.
מנקודת מבט של טיפול במים, מה שהופך אותם לכל כך מיוחדים הוא היכולת שלהם ל ללכוד חומרים מזינים כמו חנקן וזרחן, לספוג מתכות כבדות ולשמר תרכובות אורגניות רעילותרבים מהמזהמים הללו הופכים לחלק מהביומסה שלהם או מתקבעים על פני התאים שלהם, מה שמאפשר להוציא אותם מהמים באמצעות תהליכי איסוף פשוטים יחסית.
יתר על כן, ככל שהמיקרו-אצות גדלות הם צורכים פחמן דו-חמצני ומשחררים חמצןזה מאוד שימושי במערכות טיהור משום שזה מקדם את החמצון של חומר אורגני ועוזר למנוע אירועי אאוטרופיקציה בנהרות, מאגרים ולגונות.
הצמיחה המהירה שלהם ויכולתם לשגשג בתנאים קיצוניים משמעם, שכאשר מנוהלים היטב, ניתן לשלב אותם בתהליכים של ביורמדיאציה וזיקוק ביולוגי כאשר המטרה אינה רק לטהר, אלא גם להפוך את הבעיה להזדמנות כלכלית.
מתכות כבדות מכרייה: האתגר העומד בפני חוקרים
אחד ממקורות הזיהום המורכבים ביותר להתמודדות איתם הוא זה של שפכים מכרייה ומתעשיות מתכות מסוימותנחלים אלה מכילים בדרך כלל ריכוזים מדאיגים של קדמיום, נחושת, עופרת ומתכות כבדות אחרות המתמוססות במים ועוברות דרך נהרות ואקוויפרים.
באזורים עם מסורת כרייה חזקה, כמו סביבת נהר טינטו במחוז הואלבהבעיה סביבתית חמורה מצטברת מזה עשרות שנים: מים בעלי עומס מתכתי גבוה שלא ניתן לעשות בהם שימוש חוזר להשקיה, ושאם לא מטופלים כראוי, משפיעים בסופו של דבר על הקרקע, חיות הבר ובריאות האדם. תרחיש דומה מתפתח גם ב... צפון שוודיה, שם זוהה מרבץ אדמה נדירה הגדול ביותר באירופה, וכתוצאה מכך מוגבר הסיכון לדליפות הקשורות להפקה.
כדי להגיב לאתגר זה, צוותים מ אוניברסיטת הואלבה ו - אוניברסיטת אומאה (שוודיה) הם פיתחו מערכות המבוססות על מיקרו-אצות המסוגלות ללכוד ולשמר את המתכות הכבדות הללו, גם כאשר הן נראות מעורבבות יחד, וזה מה שקורה בחיים האמיתיים ולא בניסויים בספרי לימוד.
הניסויים הראשונים הראו שמינים מסוימים של מיקרו-אצות, במיוחד מהסוג Chlorellaהם יכלו להסיר קדמיום או נחושת ביעילות רבה כאשר בודדו אותם בסביבה. אבל האתגר היה ללכת צעד קדימה ולגרום לתהליך הזה לעבוד. עם תערובות מורכבות של מתכות, המדמה תנאים דומים לאלה שנמצאו בשפכי כרייה אמיתיים.
ביופילמים של מיקרו-אצות ופולימרים: פילטר טבעי המשתמש בפסולת
המפתח להתקדמות של צוותי מחקר אלה היה בשילוב מיקרו-אצות עם חומרים פולימריים המתקבלים מפסולת תעשייתיתבמקום להשתמש בתומכים יקרים או ריאגנטים כימיים חד פעמיים, הם בחרו לעצב חומר העשוי משאריות גופרית ושמן בישול משומש, שני תוצרי לוואי שבדרך כלל נזרקים לפח.
כאשר מיקרו-אצות באות במגע עם חומר פולימרי זה, ביופילם שבו תאים נצמדים חזק לפני השטח של התמיכהשכבה זו יוצרת פילטר טבעי הלוכד קדמיום, נחושת ועופרת, ובכך מגדילה משמעותית את משטח המגע בין המים המזוהמים, המיקרו-אצות והפולימר.
התוצאות שפורסמו בכתב העת המתמחה כימיה ירוקה הם מראים שלאחר שמונה שעות של טיפול, המערכת מסוגלת מסירים כ-95% מהקדמיום והנחושת, ויותר ממחצית מהעופרת קיימים במים, אפילו בריכוזים גבוהים יחסית (בסדר גודל של 8-10 מיליגרם לליטר).
ניסויים אלה התמקדו במיוחד במיקרו-אצות כלורלה סורוקיניאנההוא בולט בדופן התא החזקה שלו, ביכולתו לסבול סביבות עם רמות רעילות בינוניות עד גבוהות, ובקצב גדילה גבוה מאוד, ומשלים את מחזור ההתפתחות שלו תוך ימים ספורים. במילים אחרות, זהו מין מותאם היטב לתנאים קיצוניים ויעיל מאוד לטיהור.
היבט מעניין נוסף הוא שמערכת זו מאפשרת, עם תכנון נכון, להחזיר את המתכות הלכודות מהפולימר והמיקרו-אצות לשימוש חוזר בתעשייה. זה מעביר את המוקד מהעברת הבעיה (מים נקיים אך ביומסה מזוהמת) לגישה שסוגרת את המעגל על ידי שחזור וניצול מתכות אלו.
כיצד מגיבות מיקרו-אצות למתכות כבדות
קבוצת המחקר באוניברסיטת הואלבה, התמקדה ב- שיפור גנטי של אורגניזמים פוטוסינתטיים, חקר בפירוט מה קורה בתוך ומחוץ לתאי מיקרו-אצות כאשר הן נחשפות למים עמוסי מתכות כבדות.
הם ראו את זה, מסביב ל 90% מהמתכות נשארות מחוברות לפני התאמעוגנים לדופן המיקרו-אצה. 10% הנותרים חודרים לתא, שם מופעלים תהליכי חמצון וחיזור כדי להפחית את הרעילות של יסודות אלה.
חלק מהמתכות הללו מצטברות בסופו של דבר ב- ואקואולות, אברונים של תאים קטנים אשר משמשים כתאי אחסון. זה קורה, מעל הכל, עם קדמיום, דבר המצביע על כך שלמיקרו-אצות יש מנגנונים ספציפיים להתמודדות עם מזהמים רעילים ביותר.
למרות שהצטברות פנימית מסייעת בהפחתת רעילות סביבתית, היא גם מציבה אתגר: אם כל הביומסה הזו עמוסה במתכות כבדות, השימוש הישיר בה עבור דלקים ביולוגיים או מרכיבים בעלי ערך מוסף מוגבל, אלא אם כן יפותח תהליך יעיל כדי... ראשית להפיק את המתכות הללו מהביומסה.
לכן, חלק מהעבודה הנוכחית בוחנת כיצד לעודד צמיחת מיקרו-אצות. סופחים באופן עדיף מתכות על פני השטח שלהן ולהקל על הספיחה שלהן לאחר מכן, כך שניתן יהיה לעשות שימוש חוזר הן במתכות והן במערכת הטיהור עצמה, ובכך לשלב גישת כלכלה מעגלית ברורה.
מעבר למתכות: תרכובות נפט וזיהום פטרוכימי
מתכות כבדות אינן כאב הראש היחיד בשפכים; יש גם תרכובות אורגניות שמקורן בנפט ובתעשייה הפטרוכימיתרבים מהם עמידים ורעילים ביותר לדגים, ציפורים ובני אדם.
מחקר עדכני, שפורסם בכתב העת רעלים, הראו כי מיקרו-אצות מסוימות יכולות להשתמש פחמימנים ארומטיים רב-ציקליים ותרכובות אחרות שמקורן בנפט כמקור פחמןבמילים אחרות, הם מסוגלים "לאכול" חלק מהמזהמים הללו, לפרק אותם או להפוך אותם למולקולות פחות מזיקות.
באוניברסיטת הואלבה כבר עובדים על פרויקטים כמו אלגהפול, שבו משולב השימוש בפולימרים סופחים ומיקרו-אצות כדי להתמודד עם מזהמים מורכבים מהתעשייה הפטרוכימית: מנגזרות פנוליות ועד תרכובות ארומטיות פוליציליות מסוכנות ביותר.
מחקר מסוג זה מבקש להתאים את הקונספט של ביופילמים ומערכות היברידיות של מיקרו-אצות-פולימרים כך שיעבדו לא רק עם תערובות של מתכות, אלא גם עם דליפות עמוסות בפחמימנים וחומרים אורגניים עמידים, שעבורו עדיין אין טיפול תעשייתי משביע רצון לחלוטין.
התקדמות מצביעה על כך שעם מבחר טוב של מינים ותכנון משופר של חומרי התמיכה, מיקרו-אצות יכולות להיות מרכיב מפתח בטכנולוגיות טיהור עדינות יותר, עם צריכת אנרגיה נמוכה יותר ושימוש פחות בריאגנטים כימיים אגרסיביים.
מיקרו-אצות בשפכים ממטעי זיתים: ניקוי וייצור מוצרים ביולוגיים
תחום נוסף בעל עניין רב הוא ניהול ה- פליטות מבתי מטע שמן זית וממגזר שמן הזיתמים אלה מכילים חומר אורגני בריכוז גבוה ותרכובות פנוליות רעילות, אשר מעכבות מאוד את פליטתם הישירה או את שימושם להשקיה ללא טיפול מקדים וקפדני.
צוות מהמחלקה להנדסה כימית, סביבתית וחומרים של אוניברסיטת Jaen חקר את השימוש במיקרו-אצות ניאוכלוריס אולאובאנדנס לטפל בדיוק במים אלה ממטעי זיתים, ולהשיג תוצאות יוצאות דופן הן בניקוי והן בייצור ביומסה ביישומים תעשייתיים.
המחקר, שפורסם בכתב העת הנדסה במדעי החייםזה מוכיח שדליפות נפט יכולות להפוך ל... מקור חומרים מזינים לצמיחה מבוקרת של מיקרו-אצה זולמרות הרעילות הראשונית של הקולחים, המין שנבחר מסוגל לשגשג ולהשתמש בתרכובות הקיימות במים כמשאב להתפתחותו.
בניסויים, הפחתה של בין אחד 66% ו-94% מהמזהמים העיקריים של מים אלה, והגיעו לקולחין סופי המתאים לשימוש חוזר. במקביל, המיקרו-אצות צברו ביומסה בעלת הרכבים מעניינים מאוד: בסביבות 56% פחמימות, 51% ליפידים ו-49,5% חלבון.
עם פרופורציות אלה, ניתן להשתמש בביומסה זו לייצור של ביו דיזל, ביו אתנול, דשנים ביולוגיים, רכיבים קוסמטיים או מזון לבעלי חייםובכך ליצור קווי עסקים חדשים במקביל לייצור שמן זית ולחזק מודל של כלכלה מעגלית עבור מטע הזיתים.
תערובות שפכים: אופטימיזציה של חומרי הזנה והפחתת רעילות
החוקרים מאוניברסיטת חאן לא חקרו רק זרם מים אחד מבית הבד. הם העריכו שלושה סוגים שונים של שפכיםהמים המשמשים לשטיפת הזיתים לפני הטחינה, המים המשמשים לשטיפת השמן לאחר הצנטריפוגה, וזרימה מ שפכים עירוניים מתחנת שפכים.
לכל נחל יש "אישיות" משלו: אלו שמגיעים מבתי מרקחת זיתים נושאים הרבה חומר אורגני ותרכובות פנוליות, בעוד שהחלק העירוני תורם בעיקר חנקן וזרחן חיוניים לגדילת מיקרו-אצותהרעיון היה לשלב אותם בפרופורציות מתאימות כדי לדלל את הרעילות תוך כדי אספקת החומרים המזינים הדרושים.
על ידי התאמת התערובות, הושג תהליך יציב הרבה יותר, שבו המיקרו-אצות יכלו לגדול מבלי לקרוס עקב רעילות, והושגו הדברים הבאים: הפחתה של 94% בניטרטים ובניטריטים, 93% בצריכת חמצן כימית ו-66% בתרכובות פנוליותבמילים אחרות, תהליך טיהור עמוק מאוד באמצעות פסולת שהייתה עד לאחרונה כאב ראש גדול עבור מפעלי שמן זית.
ביומסה הנובעת מכך, העשירה בליפידים, חלבונים ופחמימות, הופכת אפוא משאב עם תפוקות תעשייתיות מרובותמדלקים ביולוגיים ועד דשנים אורגניים ותוספים לקוסמטיקה או מזון לבעלי חיים, בהתאמה מושלמת לעקרונות הכלכלה המעגלית.
הצעד הבא שהצוות שוקל הוא הוגדל לתנאי מקדש זיתים אמיתייםתכנון מערכות שיכולות לעבוד עם כמויות גדולות לאורך כל עונת שמן הזית ולעמוד בשינויים בהרכב השפכים לאורך העונה.
מיקרו-אצות בטיפול בשפכים עירוניים ותעשייתיים
טיפול מסורתי בשפכים עירוניים מסתמך על תהליכים פיזיקליים-כימיים וביולוגיים אשר, למרות יעילותם, ניתנים לביצועים יקר באנרגיה ובריאגנטיםולעיתים מייצרים בוצה שקשה לנהל. בהקשר זה, השימוש במיקרו-אצות נחשב כחלופה או השלמה אטרקטיבית מאוד.
שפכים עירוניים ותעשייתיים מכילים בדרך כלל תערובת של חומרים מזינים (חנקן וזרחן), מתכות כבדות ומזהמים חדשיםאלה כוללים עקבות של תרופות, מוצרי היגיינה אישית וחומרי הדברה. רבים מהתרכובות הללו הן עיקשות וקשה להסירן באמצעות טיפולים קונבנציונליים.
מיקרו-אצות, מצידן, מסוגלות ל ללכוד כמויות גדולות של חומרים מזינים, לקבע מתכות מסוימות, ובשילוב עם חיידקים נלווים, לפרק תרכובות אורגניות מורכבותבמהלך הפוטוסינתזה הם משחררים חמצן, מה שמפחית את הצורך באוורור מכני בכורים, אחד ההיבטים עתירי האנרגיה ביותר של מתקן טיהור שפכים קונבנציונלי.
על פי הספרות המדעית האחרונה, מערכות טיפול מבוססות מיקרו-אצות יכולות לשלב גישה של ביורמדיאציה מקיפההם מטהרים מים, מייצרים חמצן ולוכדים CO₂.2 ולספק ביומסה שמישה בדלקים ביולוגיים, דשנים ביולוגיים ומוצרים אחרים בעלי ערך גבוה.
עם זאת, לא הכל מושלם: שיטות מסורתיות של קטיף וייבוש ביומסה של מיקרו-אצות הן לעתים קרובות יקר ודורש אנרגיה רבהזה מגביל את יישומו בקנה מידה גדול אם תהליכי ההפרדה והמיצוי לא ישופרו.
פרויקט אירופאי WWTBP-by-Microalgae: ספירולינה ופיגמנטים בעלי ערך גבוה
לאיחוד האירופי יש רשת ביוב ענקית, של יותר מ 3,2 מיליון קילומטרים של צינורותאשר בסופו של דבר נזרקים למתקני טיהור. כאן נכנס לתמונה הפרויקט האירופי. מי שפכים לפיגמנט כחול על ידי מיקרו-אצות (WWTBP על ידי מיקרו-אצות), המתמקדת בניצול הפוטנציאל של מיקרו-אצות מסוימות, כגון ספירולינה, לטיהור מי שפכים תוך יצירת מוצרים בעלי ערך גבוה.
בפרויקט זה, משתמשים בספירולינה כדי ללכידת חומרים מזינים כגון ניטרטים ופוספטים, וכן להסרת מזהמים, כולל מתכות כבדות מסוימותבזמן ניקוי המים, הוא מייצר פיקוצינין, פיגמנט כחול מוערך מאוד בתעשיות המזון, הקוסמטיקה והתזונה.
אחד מצווארי הבקבוק העיקריים היה עלות איסוף וייבוש הביומסה, ולכן הצוות התמקד ב... לפתח טכניקות קציר יעילות יותר עם צריכת אנרגיה נמוכה יותרהוצג תהליך טיפול דו-שלבי ונבדקה שיטת אנקפסולציה חדשה עבור החיידקים הפוטוסינתטיים. סינכוקוקוס, נפוץ מאוד בסביבה הימית.
בנוסף, תוכננה מערכת חדשנית שמטרתה סינון באמצעות אלקטרוקואגולציה לקציר ספירולינה, מה שמפחית משמעותית את האנרגיה הנדרשת בהשוואה לשיטות הפרדה קונבנציונליות. זה מקרב את המערכות הללו צעד אחד קרוב יותר לכדאיות כלכלית ביישומים בעולם האמיתי.
מחקרים מהפרויקט הראו גם כי בתנאים מסוימים, ה- תאורת אור אדום מגבירה את ייצור הביומסה ואת תפוקת הפיגמנטיםבפרט, הושגו תוצאות טובות בטיפול בשפכים ממבשלות בירה, שם לכידת CO2 משולבת עם תהליכים אחרים.2, טיפול במים וייצור פיגמנטים וביומסה בעלי ערך מסחרי.
אתגרי יישום: אקלים, רגולציות וקבלה חברתית
למרות שהתוצאות הטכניות מבטיחות מאוד, יישום המוני של מערכות מבוססות מיקרו-אצות עדיין עומד בפני אתגר. אתגרים מעשיים שוניםאחד מהם הוא האקלים: זני מיקרו-אצות רבים מחמירים עם טמפרטורות נמוכות ופחות קרינת שמש, דבר אופייני לחורפים אירופיים.
כדי להתגבר על מכשול זה, צוותי מחקר בודקים זנים המותאמים לתנאי קור ותאורה חלשה, כמו אלו שנמצאות בצפון אירופה. מיקרו-אצות עמידות אלו יכולות להמשיך לטהר גם כאשר מזג האוויר אינו אידיאלי.
יתר על כן, יכולת ההרחבה של מערכות גידול מעלה שאלות טכניות וכלכליות: יש לתכנן ריאקטורים ופוטוביוריאקטורים כך לשמור על גידולים יציבים בכמויות גדולותמאפשרים תאורה טובה, מקלים על הקציר, והם תחרותיים מבחינת עלויות בהשוואה לטכנולוגיות קונבנציונליות.
חזית חשובה נוספת היא זו של התפיסה הרגולטורית והחברתית: שימוש בביומסה של מיקרו-אצות מ... שפכים במגזרים כמו מזון, קוסמטיקה או תרופות זה כפוף לתקנות מחמירות ולמידה מסוימת של חוסר אמון מצד הצרכנים, למרות שהתוצרים הסופיים מטוהרים ומבוקרים.
לכן, פרויקטים כמו WWTBP-by-Microalgae משלבים גם את פיתוחם של תוכניות עסקיות, מחקרי שוק, ניתוח משפטי ואסטרטגיות תקשורת, במטרה למצוא נישות יישומים בנות-קיימא ולהבטיח שהתהליכים עומדים בכל התקנות הקיימות.
לקראת כלכלה מעגלית המבוססת על מיקרו-אצות
לרבות מהיוזמות המתוארות יש גישה משותפת: הפיכת מה שהיה בעבר פסולת בעייתית למשאב יקר ערך. השימוש ב שמן בישול משומש, גופרית שיורית, שפכי טחנת שמן זית או שפכי מבשלות בירה כמצעים או תומכים לגידול מיקרו-אצות משתלבים בצורה מושלמת בהיגיון של הכלכלה המעגלית.
במקום להשקיע אנרגיה וכסף רק כדי להסיר מזהמים, הרעיון הוא לשלב תהליכים שבהם מיקרו-אצות הם מטהר את המים, הם לוכדים CO₂2 ולייצר ביומסה מיועד לדלקים ביולוגיים, דשנים ביולוגיים, פיגמנטים טבעיים או מוצרים אחרים בעלי עניין תעשייתי.
מערכות מסוג זה יכולות גם להקל על הלחץ על גופי מים, להפחית את הסיכון לאאוטרופיקציה, לשפר את האיכות האקולוגית של נהרות ואגמים ולתרום ל... להפחית את טביעת הרגל הפחמנית של פעילויות תעשייתיות רבותכל זאת מבלי שתמיד יהיה צורך לפנות לטיפולים כימיים אגרסיביים או יקרים במיוחד.
עדיין יש עבודה לעשות: ישנם אתגרים בהגדלת ההיקף, אופטימיזציה של הקציר, הפקת מתכות והתאמה לסוגים שונים של שפכים. אבל ניסיון בהואלבה, אומאה, חאן, גנט ומרכזים אחרים מראים שמיקרו-אצות הן... הרבה יותר ממשאב לדלקים ביולוגייםהם בעלי ברית אסטרטגיים בחשיבה מחודשת על האופן שבו אנו מנקים מים ומה אנו עושים עם פסולת.
בתרחיש המאופיין במשבר מים, שינויי אקלים והצורך בתהליכים תעשייתיים אחראיים יותר, מיקרו-אצות מחזקות את מעמדן כ... פתרון טבעי, גמיש ורב-תכליתי באופן מפתיע, המסוגלת לאחד ביוטכנולוגיה, הגנת הסביבה והזדמנויות כלכליות חדשות במערכת אחת.