INFEWS/T3: Critical Nutrient Recovery and Reuse: Nitrogen and Phosphorus Recycling from Wastewaters as Struvite Fertilizer

INFEWS/T3:关键养分回收和再利用:从废水中回收氮和磷作为鸟粪石肥料

基本信息

  • 批准号:
    1739473
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 243.06万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2017-09-15 至 2023-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This project is supported by the Innovations at the Nexus of Food, Energy, and Water (INFEWS) Program. It addresses the lack of nutrient recycling from wastewater streams and the resulting strain on water resources, energy use, and sustainable food supply. Two key nutrients, nitrogen (N) and phosphorus (P), are critical for all life on Earth, including humans, animals, and plants. Worldwide, phosphorus supply comes from limited stores of phosphate rock. Nitrogen comes from the energy- and capital-intensive industrial Haber-Bosch process that makes ammonia. Phosphorus and nitrogen are transported from fertilizers and human and animal waste to wastewaters via agricultural run-off. There is an important opportunity for nutrient recovery and reuse rather than treatment and disposal. This project develops innovative engineering technology to recycle nitrogen and phosphorus nutrients as a high-value fertilizer, struvite, while also enabling energy-efficient wastewater treatment. The technology is developed within the context of an economic life cycle analysis. In terms of broadening participation, a stakeholder-driven workshop takes place yearly. In addition to lower energy use and increased nitrogen and phosphorus recycling, the benefits are cleaner water, healthier watersheds, and sustainable agricultural activities. Numerous undergraduate and graduate students receive training in an interdisciplinary context.Over-fertilization and excess ammonia production in addition to a lack of nutrient recycling contribute to an imbalanced N/P cycle. This situation leads to water contamination issues, decreased agricultural viability in nutrient-saturated watersheds, and excessive energy use. This research project addresses the problem with an electrochemical reactor that recovers N and P as struvite, a slow-release fertilizer. An electrochemical reactor is designed to study kinetics and flow dynamics of struvite precipitation. This reactor is designed to be energy-efficient with high potential for on-site power generation. Key electrochemical components, including the magnesium alloy anode and a functional peptide scaffold for accelerated struvite precipitation are developed. The peptide-functionalized mesh is designed to enhance struvite precipitation kinetics and purity. The energy requirements for this process are evaluated and the economic costs and benefits of the new technology are determined. The project also addresses the impact of struvite composition and morphology on soil composition and crop fertility, studies the efficacy of struvite as a fertilizer, and develops a life cycle assessment of the technology including a system energy balance. For application to municipal wastewater treatment facilities, the technology integration is evaluated in terms of scalability, water quality/liquid composition, and cost-effectiveness.
该项目得到了食品、能源和水资源创新(INFEWS)计划的支持。它解决了缺乏从废水流中回收养分的问题,以及由此对水资源、能源使用和可持续粮食供应造成的压力。氮(N)和磷(P)这两种关键营养素对地球上的所有生命都至关重要,包括人类、动物和植物。在世界范围内,磷的供应来自有限的磷矿石储存。氮来自能源和资本密集型的工业哈伯-博世工艺,该工艺制造氨。 磷和氮通过农业径流从肥料和人类及动物粪便转移到废水中。这是一个重要的机会,可以进行养分回收和再利用,而不是处理和处置。该项目开发了创新的工程技术,将氮和磷营养物回收为高价值的肥料鸟粪石,同时还实现了节能的废水处理。该技术是在经济生命周期分析的背景下开发的。在扩大参与方面,每年举办一次由知识产权持有者推动的讲习班。除了降低能源使用和增加氮和磷的循环利用外,其好处还包括更清洁的水、更健康的流域和可持续的农业活动。许多本科生和研究生在跨学科的背景下接受培训。过度施肥和过量的氨生产以及缺乏养分循环导致N/P循环不平衡。这种情况导致水污染问题,降低营养饱和流域的农业可行性,以及过度使用能源。该研究项目解决了电化学反应器的问题,该反应器将N和P作为鸟粪石(一种缓释肥料)回收。设计了一种电化学反应器,研究鸟粪石沉淀的动力学和流动动力学。该反应堆的设计是能源效率高,具有很大的潜力,现场发电。开发了关键的电化学组件,包括镁合金阳极和用于加速鸟粪石沉淀的功能性肽支架。肽功能化的网被设计成增强鸟粪石沉淀动力学和纯度。对该工艺的能量需求进行了评估,并确定了新技术的经济成本和效益。该项目还涉及鸟粪石的组成和形态对土壤组成和作物肥力的影响,研究鸟粪石作为肥料的功效,并对该技术进行生命周期评估,包括系统能量平衡。对于城市污水处理设施的应用,技术集成的可扩展性,水质/液体成分,和成本效益方面进行评估。

项目成果

期刊论文数量(25)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Electroless Production of Fertilizer (Struvite) and Hydrogen from Synthetic Agricultural Wastewaters
  • DOI:
    10.1021/jacs.0c07916
  • 发表时间:
    2020-11-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    15
  • 作者:
    Kekedy-Nagy, Laszlo;Abolhassani, Mojtaba;Greenlee, Lauren F.
  • 通讯作者:
    Greenlee, Lauren F.
Electrochemically precipitated struvite effects on extractable nutrients compared with other fertilizer‐phosphorus sources
与其他肥料磷源相比,电化学沉淀鸟粪石对可提取养分的影响
  • DOI:
    10.1002/agg2.20183
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Anderson, Ryder;Brye, Kristofor;Kekedy‐Nagy, Laszlo;Greenlee, Lauren;Gbur, Edward;Roberts, Trenton
  • 通讯作者:
    Roberts, Trenton
Characterization of cerium (III) ion binding to surface‐immobilized EF‐hand loop I of calmodulin
与钙调蛋白表面固定的 EF-手环 I 结合的铈 (III) 离子的表征
  • DOI:
    10.1002/pep2.24133
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.4
  • 作者:
    Xu, MingYuan;Su, Zihang;Renner, Julie N.
  • 通讯作者:
    Renner, Julie N.
Chemically Precipitated Struvite Dissolution Dynamics over Time in Various Soil Textures
不同土壤质地中化学沉淀鸟粪石随时间的溶解动态
  • DOI:
    10.4236/as.2020.116036
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Anderson, Ryder;Brye, Kristofor R.;Greenlee, Lauren;Gbur, Edward
  • 通讯作者:
    Gbur, Edward
Self-Assembly and Rearrangement of a Polyproline II Helix Peptide on Gold
  • DOI:
    10.1021/acs.langmuir.0c03583
  • 发表时间:
    2021-05-11
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Hostert, Jacob D.;Loney, Charles N.;Renner, Julie N.
  • 通讯作者:
    Renner, Julie N.
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