Новая технология утроит производство биотоплива из канализационных стоков и сократит расходы

Могут ли отходы одного стать сокровищем для другого? Ученые представили революционную технологию, которая значительно увеличивает извлечение топлива из одного из самых распространенных побочных продуктов человечества — канализационного осадка, или, проще говоря, сточных вод. Это позволит не только получать больше энергии, но и заметно снизить затраты на утилизацию.

Инновационная разработка

Исследователи из Университета штата Вашингтон разработали новый этап предварительной обработки и уникальный бактериальный штамм. Вместе эти элементы способны увеличить объем извлекаемого биогаза из биоорганических отходов в три раза, одновременно сокращая расходы на их утилизацию вдвое.

Проблемы традиционной очистки стоков

Согласно исследованию, опубликованному в журнале «Chemical Engineering Journal», объекты по очистке сточных вод потребляют от 3% до 4% всей электроэнергии в США. Для сравнения, по данным Управления энергетической информации США, зарядка электромобилей в 2025 году составит лишь около 0,5% от общего потребления электроэнергии в стране. Кроме того, традиционные методы очистки ежегодно выбрасывают в атмосферу около 21 миллиона метрических тонн парниковых газов.

Примерно половина из почти 15 000 очистных сооружений в США используют анаэробное сбраживание. Это процесс, при котором микробы разлагают канализационный осадок в бескислородных условиях, уменьшая объем отходов и производя биогаз. Некоторые объекты применяют этот биогаз для частичного покрытия своих потребностей в электроэнергии, помогая снизить огромное энергопотребление, связанное с очисткой сточных вод.

Однако традиционное анаэробное сбраживание остается относительно неэффективным. Этот процесс обычно преобразует менее 40% углерода, содержащегося в осадке, в полезный газ. Большие объемы богатого углеродом остаточного осадка, известного как биошламы, остаются после сбраживания и часто попадают на свалки, где могут генерировать дополнительные выбросы парниковых газов. При этом сам биогаз содержит значительное количество диоксида углерода (часто около 35-40%), что снижает его прямую пригодность в качестве топлива и требует дополнительной очистки, прежде чем он может быть закачан в инфраструктуру природного газа как возобновляемый природный газ.

Процесс APAD: двухступенчатая система

Для преодоления этих ограничений исследователи разработали двухступенчатую систему, названную «Расширенная предварительная обработка и анаэробное сбраживание» (Advanced Pretreatment and Anaerobic Digestion, APAD). Вместо утилизации остаточного осадка, образующегося после обычного анаэробного сбраживания, система подвергает его дополнительной стадии обработки, известной как «Усовершенствованное влажное окисление и паровой взрыв» (Advanced Wet Oxidation and Steam Explosion, AWOEx).

В ходе этого процесса переработанный осадок подвергается воздействию высоких температур, давления и контролируемого количества кислорода. Это помогает разрушать стойкие органические соединения, с которыми традиционное сбраживание не справляется полностью. Затем обработанный осадок подается на вторичную стадию анаэробного сбраживания, что позволяет микробам извлекать дополнительный биогаз из материала, который в противном случае остался бы отходами.

Улучшение качества биогаза

На отдельной последующей стадии полученный биогаз преобразуется в более чистый возобновляемый природный газ с использованием биореактора с насадочным слоем, содержащего новый метаногенный бактериальный штамм Methanothermobacter wolfeii BSEL. Этот микроорганизм, питаемый водородом, биологически преобразует диоксид углерода из биогаза в дополнительный метан, тем самым повышая качество конечного газового потока.

По словам Биргитте Эринг, профессора Университета штата Вашингтон и ведущего автора исследования, этот бактериальный штамм «не требует ничего – это настоящий работяга. Ему не нужны органические добавки или особый уход. Ему достаточно воды и витаминной добавки».

Впечатляющие результаты и перспективы

Исследователи сообщают о значительных успехах системы. Извлекая гораздо больше полезных материалов из осадка, который обычно оставался бы отходами, и преобразуя большую часть диоксида углерода в биогазе в дополнительный метан, интегрированный процесс увеличил выход возобновляемого природного газа на 200% по сравнению с одним лишь традиционным анаэробным сбраживанием.

Система также достигла общей эффективности преобразования углерода на уровне 83%, что означает, что значительно большая часть углерода из осадка была преобразована в полезное топливо, а не осталась в виде остаточных отходов. Кроме того, исследователи отмечают, что этап предварительной обработки сократил затраты на очистку осадка с 494 до 253 долларов за сухую тонну за счет значительного уменьшения объема остаточных биошламов, требующих утилизации.

Как отмечает Эринг, «эта технология, по сути, преобразует до 80% канализационного осадка в нечто ценное. Если мы сможем воспроизвести эту работу с другими органическими материалами, у нас будет технология обработки отходов мирового класса по эффективности».

Команда запатентовала бактериальный штамм и в настоящее время ищет индустриального партнера для разработки крупномасштабной версии проекта.

С технической точки зрения, в случае успешного национального масштабирования и при условии экономической целесообразности в реальных условиях (среди множества других факторов), моделирование ученых предполагает, что только предварительная обработка может потенциально обеспечить миллиарды долларов ежегодной экономии в операциях по очистке канализационного осадка в США. Работа была профинансирована Офисом биоэнергетических технологий Министерства энергетики США, что подчеркивает значимость и перспективность данного исследования. Источник: Университет штата Вашингтон.

Твитнуть