По сообщению Chemical Engineering Journal , специалисты из Университета штата Вашингтон создали технологию, преобразующую канализационный ил в метан чистотой 99%. Результаты пробного запуска демонстрируют двойное преимущество подхода к водоочистке: он обеспечивает более эффективное производство чистого газа и сокращает совокупные затраты на обработку отходов.
Ирина Медведева
Очистные сооружения, иллюстративное фото. Источник: sonmuhur.com
Примечательно, что предварительная подготовка локальных стоков позволила утроить выход возобновляемого метана и вдвое уменьшить расходы на утилизацию. Полученное высококачественное топливо представляет собой прямой климатически нейтральный аналог ископаемым ресурсам и применимо для отопления, генерации электричества и заправки транспорта через действующую инфраструктуру.
Преимущества инновационной методики
Профессор Биргитте Аринг из Лаборатории биопродуктов и Школы химического и биоинженерного дела пояснила, что методика даёт возможность конвертировать до 80% осадка в полезный продукт. В случае успешного применения технологии к другим органическим материалам, откроется перспектива создания глобального решения по переработке отходов с выдающейся эффективностью.
Учитывая, что лишь в США функционирует порядка 15 000 станций очистки, обработка сточных вод формирует значительную и постоянную нагрузку на энергосеть страны. Эти объекты заслужили репутацию крупных потребителей энергии, используя около 4% национального электричества для переработки коммунальных отходов. Для многих небольших населённых пунктов местные очистные сооружения являются не просто инфраструктурным объектом, а главным энергопотребителем в округе. Кроме того, отрасль ежегодно ответственна за выброс 21 млн метрических тонн парниковых газов.
Усовершенствованный процесс предварительной очистки и анаэробного сбраживания (Advanced Pretreatment and Anaerobic Digestion, APAD) для повышения эффективности преобразования осадка сточных вод в возобновляемый природный газ. Источник: Chemical Engineering Journal
Двухэтапный процесс переработки
Традиционные способы переработки, основанные на анаэробном сбраживании, отличаются низкой скоростью и экологическими издержками. Микроорганизмам сложно расщеплять устойчивые сложные молекулы в составе человеческих отходов, что ведёт к накоплению значительных объёмов твёрдых остатков, которые чаще всего направляются на полигоны.
Группа учёных из Вашингтонского университета предложила двухэтапный процесс. На стадии предварительной обработки осадок нагревается до высоких температур в присутствии кислорода. Под давлением кислород работает как молекулярный резак, дробя длинные цепочки на мелкие фрагменты, доступные для бактерий.
На следующем этапе вводится запатентованный штамм бактерий. В отличие от многих промышленных методов, требующих токсичных реагентов или дорогих катализаторов, эта бактерия нетребовательна. По словам профессора Аринг, микроорганизм является настоящей «рабочей лошадкой»: ему не нужны органические добавки или сложный уход, он успешно функционирует с водой и базовыми питательными веществами. Данный бактериальный штамм конвертирует диоксид углерода и водород в метан чистотой 99%, то есть в возобновляемый природный газ.
Отличия от традиционных методов
В рамках исследования авторы разработали и протестировали новый комплексный процесс — усовершенствованную предварительную очистку и анаэробное сбраживание (Advanced Pretreatment and Anaerobic Digestion, APAD), — который значительно ускоряет процесс переработки осадка сточных вод в возобновляемый природный газ (RNG).
В отличие от традиционного анаэробного сбраживания (АС) или отдельных методов предварительной очистки, процесс APAD уникальным образом сочетает в себе усовершенствованную технологию мокрого окисления и парового взрыва (Advanced Wet Oxidation & Steam Explosion, AWOEx) для осадка после сбраживания с очисткой биогаза с использованием специального метаногенного штамма (Methanothermobacter wolfeii BSEL) в реакторе с псевдоожиженным слоем.
Производительность биореактора с псевдоожиженным слоем для переработки биогаза за 25 дней непрерывной работы. Биореактор был заселен бактериями M. wolfeii BSEL и питался биогазом AD2 в качестве источника CO2 и водородом промышленного качества в качестве донора электронов. Источник: Chemical Engineering Journal
Такой синергетический подход не только повышает эффективность преобразования углерода и выход метана, но и позволяет напрямую производить газойль, пригодный для транспортировки по трубопроводу, с минимальным содержанием CO2, устраняя два основных недостатка существующих систем переработки осадка в энергию с помощью единой масштабируемой методологии.
Что показали пилотные эксперименты
Эксперименты в пилотном масштабе показали, что предварительная обработка методом AWOEx сама по себе повышает эффективность конверсии углерода остаточного ила до 62 %, что на 68 % выше, чем при традиционном анаэробном сбраживании.
Последующая доработка биогаза с помощью водорода еще больше увеличила общий выход метана примерно на 100 % и снизила содержание CO2 до ≤3 %, в результате чего общая эффективность конверсии углерода составила 83 %, а производство биогаза на 200 % превысило показатели при традиционной очистке.
Эти результаты представляют собой значительный шаг вперед в утилизации ила, выходящий за рамки постепенных улучшений, о которых сообщалось в более ранних исследованиях. Процесс позволил снизить стоимость обработки канализационного ила с 494 до 253 долларов за тонну. Команда исследователей получила патент и начала сотрудничество с промышленными партнёрами для масштабирования технологии.
Профессор Аринг подчёркивает, что проект дает максимальный выход метана, причем газ пригоден для подачи потребителям через магистральную систему.
Разработка интегрирует инновационную предварительную обработку и биологическое облагораживание ила, создавая новую масштабируемую модель циркулярной биоэкономики: идет трансформация канализационных отходов и использование их в высокоэффективной системе рекуперации энергии.
В случае успешного внедрения значительный объем парниковых газов, ежегодно выбрасываемых очистными сооружениями, могут перестать быть проблемой.
Экологические темы — всегда в фокусе внимания журнала «Химагрегаты». На фоне высоких отраслевых требований к экологическим аспектам производства, а также ужесточения норм безопасности и эффективности, особую ценность приобретают решения, сочетающие в себе передовые технологии и безупречное качество. На производственной базе ПСЦ «ХИМАГРЕГАТ» освоено производство линейки ёмкостного оборудования, созданного с учётом самых высоких экологических стандартов.