Electrochemical Methods for Source-separated Urine Treatment and Nutrient Recovery

Abstract

Ravinteiden tuotannon kestävyys on yksi ihmiskunnan suurista haasteista. Nykyinen kertakäyttölannoitus aiheuttaa rehevöitymistä ja perustuu fossiilisten fosfori- ja kaliummineraalien tuotantoon, sekä maakaasun poltolla sidotun typen tuotantoon. Tämä väitöskirja keskittyy uudenlaiseen menetelmään, jolla typpi voidaan ottaa talteen erilliskerätystä virtsasta ja muodostaa ravinnetuotetta. Virtsa sisältää n. 85% ihmisen syömästä typestä tiiviissä muodossa, ja menetelmät virtsan erilliskeräykseen ovat pitkälle kehittyneitä ja saatavilla. Virtsa on helppo säilöä ja se hajoaa spontaanisti entsymaattisesti muodostaen emäksisen liuoksen, josta veden kovuus (kalsium ja magnesium) saostuu suoloina pois ja typpi hydrolysoituu ureasta ammoniumiksi.

Tässä väitöskirjassa sähkökemiallista konsentrointia ja sähkökemiallista hapetusta tutkittiin erilliskerätyn virtsan käsittelemiseksi ja typen talteenottamiseksi ravinnetuotteeksi. Erilliskerätyn virtsan sähkökemiallista konsentrointia tutkittiin grafiittielektrodein varustetussa kolmikammioisessa reaktorissa. Reaktori myös mallinnettiin matemaattisesti, tuoden esiin sähkökemiallisen konsentroinnin teoreettiset rajat ja rajoittajat tekijät. Konsentroinnilla pystyttiin tuottamaan virtsasta kiinteää ammoniumbikarbonaattisuolaa, joka on suoraan käytettävissä ravinnetuotteena. Ravinnetuotteen kiteytystä rajoittavaksi tekijäksi paljastui virtsan kilpailevat suolaionit (Na, Cl).

Sähkökemiallista hapetusta tutkittiin käyttäen booritimanttianodia. Kloorin ja ammoniakin suhteen sekä anodin pH:n välinen monimutkainen vuorovaikutus ammoniumin hapetusketjuun selvitettiin hapetuskokeilla, mikä mahdollistaa orgaanisen aineen hapettamisen virtsasta ammoniumia hapettamatta käyttäen sähkökemiallisesti laskettua anodin pH:ta. Aikaisemmat hapetus ja konsentrointitulokset yhdistettiin tutkimuksessa, joka mahdollisti natriumin ja ammonium erottamisen sähkökemiallisen konsentroinnin ja hapetuksen yhdistävällä tekniikalla, alentaen ravinnetuotteen suolapitoisuutta.

Tämä väitöskirja laajentaa sähkökemiallisten tekniikoiden käyttömahdollisuuksia erilliskerätyn virtsan käsittelyyn ja tuotteistukseen. Se antaa suuntaviivoja erilliskerätyn virtsan ja sähkökemiallisten tekniikoiden soveltamiseksi ravinteiden kiertotaloudessa.

Achieving sustainability of nutrient use is identified as one of mankind’s large challenges as current fertilizer use practices cause widespread eutrophication and rely on mined phosphorus and potassium, that are non-renewable, and fossil fuel-based nitrogen production. This doctoral thesis focuses on a novel method of nitrogen recovery from source-separated human urine. Source-separated urine contains approximately 85 % of human consumed nitrogen in a concentrated form, and methods for separate, undiluted collection of urine are readily available. Urine is simple to store and an enzymatic degradation process called ureolysis spontaneously forms an alkaline liquid, from which water hardness (Ca and Mg) is precipitated away and nitrogen, present in fresh urine as urea, is hydolysed into ammonium.

In this doctoral thesis, electrochemical methods of electro-concentration and electro-oxidation were investigated for urine treatment and ammonium capture as a nutrient product from source-separated human urine. Electro-concentration of synthetic urine was investigated in a three-chamber reactor configuration using graphite electrodes. In parallel, the configuration was modelled, revealing the theoretical limits, and limiting factors of urine electro-concentration. The electro- concentration was able to form concentrates strong enough to produce a directly usable nutrient product, solid ammonium bicarbonate crystal, the yield of which was revealed to be limited by competing salt ions (Na, Cl).

Electro-oxidation for urine treatment was studied using boron-doped-diamond anodes and the complex relationship between chloride and ammonium ratio and anodic pH towards ammonium oxidation rate was uncovered. The results enable a new method of selective organics electro-oxidation over ammonium by rapidly lowering chloride concentration in electrochemically lowered anodic pH. Finally, a proof-of-concept study combining electro-concentration and electro-oxidation enabled tailored nutrient product formation, including ammonium and sodium separation, lowering the sodicity of the nutrient product.

This work expands the perimeter of electrochemical source-separated urine treatment and nutrient capture and forms a scaffolding for a platform, from which electrochemical technologies can be further developed into mature treatment and resource recovery technologies for urine in a circular nutrient economy.