Fra slam til guld: Bakterier kan udvinde værdifulde ressourcer fra spildevand

I dag er omkring to tredjedele af verdens befolkning sikret rent drikkevand. Heldigvis er den procentdel stigende. Imidlertid er der globale trusler den tendens, fx forurening gennem fossile brændstoffer, klimaændringer med tørke og oversvømmelser, stigende befolkning, stigende urbanisering og mangel på investeringer i infrastruktur. Efterspørgslen efter vand har aldrig været større, og vand har derfor aldrig været højere på den politiske dagsorden. Fokus inden for spildevandsrensning har i årtier været på at udvikle endnu bedre fysiske og kemiske metoder, men den hollandske mikrobiolog Mark von Loosdrecht har fokuseret på de biologiske aspekter.

"Udvikling inden for miljøteknologi er næsten udelukkende forbeholdt ingeniører, og de er ikke så bekymrede over, hvad alle mikroorganismerne i vandet gør," forklarer Mark van Loosdrecht, professor i miljøbioteknologi ved Delft University of Technology, Holland.

”De kalder det slam og vil bare gerne af med alle urenhederne. Det, jeg forsøger at gøre, er at forstå bakterierne og deres interaktioner i stedet for, og med deres hjælp forsøge at genvinde alle de værdifulde næringsstoffer fra spildevandet. Spildevandsrensning kan derfor faktisk blive en god forretning frem for en stigende udgift for lande globalt,” fortsætter han.

Kom og arbejd for mig – men et andet sted

De fleste tænker på slam som en modbydelig klæbrig masse, der skal kasseres. Men det halvfaste materiale fra industrielle processer, fra spildevandsrensning og fra vores toiletter indeholder faktisk mange værdifulde stoffer, og med lidt hjælp fra mikroorganismer kan det blive en værdifuld ressource. For Mark van Loosdrecht startede drømmen om at transformere slam for mere end 30 år siden – ikke som en drøm om at redde verden, men via en fascination af bakteriers ofte skjulte værdifulde egenskaber.

”Under mine allerførste studier af bakterier, mens jeg afsluttede min uddannelse i miljøteknik på Wageningen University & Research, undersøgte jeg, hvordan bakterier interagerer med overflader. Det gik hurtigt op for mig, at når ingeniører studerer bakterier, har de ofte ikke særlig god kontrol over de betingelser, som bakterier bliver dyrket under, eller selve bakteriernes handlinger. Omvendt studerer man ofte som mikrobiolog bakterier hver for sig. Jeg ville gerne gøre begge dele – forstå og kontrollere bakterier samspil,” fortæller Mark van Loosdrecht.

Egentlig var Mark van Loosdrecht træt af den akademiske verden og havde aftalt med Sef Heijnen, som han havde mødt, mens han læste tog sin ph.d.-grad, at han ville søge job hos Gist-Brocades, hvor Heijnen arbejdede, men i mellemtiden var Heijnen vendt tilbage til den akademiske verden.

"Han sagde: 'Ja, du kan stadig komme og arbejde med mig, men et andet sted'," husker han.

Et andet sted var Delft University of Technology, og emnet var udvikling af processer til spildevandsbehandling. Lige siden han skiftede retning i 1988, har Mark van Loosdrecht arbejdet samme sted og med de samme tværfaglige emner: integration af mikrobiologi, teknik og integration af forskning og praksis.

"Spildevandsrensning er ideel til at studere mikrobiel økologi, fordi det er et mangfoldigt mikrobielt økosystem, hvor mange egenskaber kan studeres. Derudover kan du, når du opdager ting i laboratoriet, ofte nemt evaluere dem i praksis. Dette skaber ofte nye spørgsmål, der kan tages med tilbage til laboratoriet. Så det er her, videnskab og teknologi kan hjælpe hinanden,” uddyber Mark van Loosdrecht.

Kombinerer videnskab og teknik

Forskere i Holland indså hurtigt fordelene ved at kombinere grundlæggende viden om bakteriers evner og deres interaktion med spildevandsrensning.

"Feltet var dengang grundlæggende meget konservativt. De, der studerede spildevandsbehandling, optimerede filtre for at fjerne alle urenheder. De, der studerede bakterier, studerede normalt en bestemt type bakteriekultur for at bestemme, hvordan den opfører sig. Vi besluttede i stedet at fokusere forskningen på de bakteriesamfund, der naturligt findes i spildevand, og som hjælper med at rense det,” forklarer Mark van Loosdrecht.

Brugen af ​​mikroorganismer til at rense vand går mere end et århundrede tilbage, hvor britiske forskere fandt ud af, at iltning af spildevand kunne fjerne skadelige nitrogenholdige forbindelser såsom ammoniak. De kaldte dette aktiveret slam, og blev først langt senere klar over, at det var de levende organismer i spildevandet, der var blevet aktiveret. Opdagelsen satte gang i en interesse for at forstå, hvordan disse organismer fungerer og hjælper med at fjerne nitrogen- og fosforforbindelser sammen med andre skadelige forbindelser fra spildevand.

"Vi indså i tidlige undersøgelser, at dyrkning af rene kulturer af bakterier i laboratoriet har en tendens til at ændre ved bakteriernes grundlæggende egenskaber, så de ikke længere ligner deres naturligt forekommende forfædre. Så når vi isolerede bakterier, der kunne fjerne et bestemt stof, ændrede andre aspekter af deres adfærd sig. Organismen opfører sig ikke længere, som den var, da den blev blandet med spildevandet, hvor forholdene var helt anderledes, og hvor de sameksisterede og interagerede med mange andre organismer,” husker Mark van Loosdrecht.

Meget effektiv metode

Mark van Loosdrecht og hans kolleger besluttede derfor at undersøge bakterierne under deres naturlige forhold i spildevandet for at opfostre og dyrke de relevante organismer. En mere dynamisk og selektiv berigelsesteknik var nødvendig – og den blev udviklet i løbet af få år.

”Udledningen af ​​fosfater til overfladevand fører til eutrofiering, og opblomstring af alger var et kæmpe problem dengang. Vi adopterede, raffinerede og videreudviklede en eksisterende proces til en effektiv teknologi ved at integrere kemisk og biologisk fjernelse. Dette resulterede i et optimalt kombineret system til effektiv fjernelse af næringsstoffer med minimalt energiforbrug,” siger Mark van Loosdrecht.

I 1998 blev denne BCFS®-proces (biologisk-kemisk fosfor- og nitrogenfjernelse) den første af en række nye spildevandsbehandlingsprocesser udviklet af Mark van Loosdrecht, hans team i Delft og hollandske vandværker. Samme år udviklede forskerne også en særlig effektiv metode til at fjerne ammoniak og organiske kvælstofkomponenter fra spildevand: SHARON (enkeltreaktorsystem til højaktiv ammoniumfjernelse over nitrit).

”Bakterier som Nitrosomonas oxiderer ammonium til nitrit og omdanner direkte nitrit til nitrogengas, hvilket er mere effektivt end via nitrat. Ved at forstå væksthastighedsforskelle mellem Nitrosomonas og Nitrobacter (den organisme, der oxiderer nitrit til nitrat, red.) var det muligt at designe en effektiv nitrogenfjernelsesproces,” tilføjer Mark van Loosdrecht.

Udviklingen af ​​SHARON-processen blev startskuddet til et kæmpe gennembrud samme år. Et par år forinden havde Mark van Loosdrechts forskerkolleger i Gijs Kuenens forskergruppe overraskende fundet bakterier, der kunne omdanne ammoniak og nitrit til nitrogengas – ANAMMOX®-processen.

”Processen kunne spare en masse både kemikalier og energi. Bakterieprocessen krævede, at bakterier kunne donere elektroner fra ammonium til nitrit, og derfor kunne produktet fra SHARON-processen, nitrit, effektivt bruges til at opskalere ANAMMOX®-processen,” forklarer Mark van Loosdrecht.

Træning af bakterier

I de følgende år, mens SHARON- og ANAMMOX®-anlæg blev implementeret over hele verden, tog Mark van Loosdrecht spildevandsrensning til næste niveau ved at studere andre naturlige mikrobielle processer i slam og kombinere sin erfaring med spildevandsrensning med sin viden om de fysiske interaktioner mellem bakterier, som han havde fokuseret på i starten af ​​sin karriere.

”Når bakterier vokser sammen, kan de lave meget luftige strukturer, som ved konventionel spildevandsrensning, eller kompakte strukturer, der meget lettere skiller sig fra det rensede vand. Strukturdannelsen fremstår mere som en fysisk end biologisk proces, hvor langsomtvoksende bakterier gør det muligt at skabe de rette betingelser for kompakte strukturer. Tilfældigvis er de fosfatfjernende bakterier den slags bakterier. Derved omdannede vi det aktiverede slam til små granulatkugler, der indeholder forskellige lag af disse bakterier, der hver er trænet til at udføre en bestemt funktion,” fortæller Mark van Loosdrecht.

Ved at dyrke granulært slam på spildevand kunne Mark van Loosdrecht og hans kolleger nu ikke kun forbedre rensningen af ​​spildevand. Når vandet er rent, falder granulatet til bunds i ​​tankene og kan genbruges. Den store fordel er tiden. Konventionelt aktiveret slam bundfældes med cirka 1 meter i timen, hvorimod det glattere og tættere bakteriegranulat klarede 1 meter på 4 minutter. Forskerne døbte teknologien Nereda® – afledt af Nereiderne, mytiske græske vandnymfer.

”At gøre disse processer mekanisk enklere og billigere kræver dyb forståelse af det komplekse samspil mellem biologi og procesteknologi. Nereda® kræver meget mindre plads og bruger halvt så meget energi som konventionelle metoder. Principperne for at danne granulært slam er baseret på fysik, men i sidste ende klarer bakterierne jobbet. Det understreger endnu engang vigtigheden af ​​tværfaglig forskning,” fastslår Mark van Loosdrecht.

Smykker fra toilettet

Fascinationen af ny viden har været helt afgørende for at drive Mark van Loosdrecht og hans kolleger mod deres nye bemærkelsesværdige opdagelser. Et eksempel på, hvordan nysgerrighed, økonomi og socialt ansvar ofte kan integreres, er vivianit, et hydreret jernfosfatmineral. I 2016 opdagede forskere, at det kunne hjælpe med at løse en af ​​de største udfordringer inden for spildevandsrensning – fosfatudledning, som er et miljøproblem, når det udledes, men også en begrænset ressource.

”Genbrug af fosfat er afgørende for at skabe en bæredygtig cirkulær økonomi og balance i naturen. Jern binder fosfat som vivianit, som derefter kan fjernes med en magnetisk separator. Vivianit kan bruges som gødning. Nysgerrigheden over for, hvordan jern opfører sig i en spildevandsbehandlingsproces, har ført til en interessant innovation, der stimulerer en cirkulær økonomi. Vi skal være mere nysgerrige og tænke ud af boksen,” siger Mark van Loosdrecht.

Selvom Mark van Loosdrechts og hans kollegers vision i Delft om at gøre slam til økonomisk rentable ressourcer endnu ikke er nået, er de nu tættere på at realisere deres mangeårige drøm. De har opdaget flere stoffer med et muligt markedspotentiale ved at analysere Nerada®-granulatet, såsom Kaumera Nerada® Gum, en bæredygtig biopolymer.

”Der er allerede et marked for denne biopolymer, som i kombination med ler har vist sig at være sammenlignelig med nogle af de eksisterende fiberforstærkede plaster – og med endnu bedre brandhæmmende og varmebestandige egenskaber. Materialet er faktisk så attraktivt, at en kollega er begyndt at lave smykker fra Kaumera Nerada® Gum. Dens smukke perleglans kan minde os om ting, der kan laves af det, vi ellers skyller ud i toilettet i dag,” slutter Mark van Loosdrecht.