Ученые преобразуют осадок сточных вод в природный газ чистотой 99%

Осадок сточных вод — это то, о чём обычно никто не хочет думать. Его утилизация обходится дорого, избавиться от него сложно, а после обработки большая его часть всё равно оказывается на свалках.

Команда из Вашингтонского государственного университета утверждает, что нашла способ извлечь гораздо больше пользы из этих отходов. В ходе пилотного исследования ученые превратили обработанный осадок сточных вод в возобновляемый природный газ, на 99% состоящий из метана, при этом значительно увеличив долю углерода в осадке, который в конечном итоге превращается в пригодное для использования топливо, а не в отходы.

Работа, опубликованная в журнале Chemical Engineering Journal , указывает на иной подход к очистным сооружениям сточных вод: не просто как к коммунальным предприятиям, очищающим воду, а как к местам, где также можно извлекать энергию из трудноочищаемых сточных вод. Это важно, поскольку очистные сооружения потребляют от 3% до 4% от общего спроса на электроэнергию в США и ежегодно выбрасывают около 21 миллиона метрических тонн парниковых газов.

«Это настоящая рабочая лошадка», — сказала исследовательница Биргитте Аринг о штамме микроорганизмов, используемом в системе. «Ему не нужны органические добавки или особый уход. Он хорошо себя чувствует с водой и витаминными таблетками».

Графическое описание процесса. Возобновляемый водород, цена которого может снизиться в ближайшем будущем, может положительно повлиять на экономику модернизации биогаза в процессе APAD. (Источник: Chemical Engineering Journal)

Превращение осадка в газ

В США насчитывается около 14 780 муниципальных очистных сооружений, обрабатывающих более 32 миллиардов галлонов сточных вод в день. Примерно половина из них использует анаэробное сбраживание для разложения осадка сточных вод и производства биогаза. Но этот распространенный процесс оставляет после себя много отходов. Во многих случаях 50% и более очищенного осадка остается в виде биошлама, который все еще нуждается в утилизации.

Остаточные отходы становятся все большей проблемой. Долгое время предпочтительным вариантом было внесение в почву, но опасения по поводу таких веществ, как ПФАС и ПФОС, подталкивают все больше биоотходов к захоронению на свалках. В статье отмечается, что ежегодно на свалки захоранивается около 2 миллионов тонн сухих биоотходов.

Команда из Университета штата Вашингтон попыталась решить обе проблемы одновременно: сначала облегчив разложение осадка, а затем превратив полученный газ в более чистое топливо .

Их процесс, называемый усовершенствованной предварительной обработкой и анаэробным сбраживанием (APAD), включает в себя этап предварительной обработки при высокой температуре и высоком давлении перед вторым этапом сбраживания. Осадок нагревали до 175 градусов Цельсия с добавлением кислорода в контролируемых количествах, а затем быстро снижали давление. Эта комбинация, известная как усовершенствованное влажное окисление и паровой взрыв, помогла разрушить трудноразлагаемые органические вещества, которые обычно сопротивляются сбраживанию.

После этого микроорганизмы в анаэробном реакторе смогли обработать больше осадка.

Больше метана, меньше отходов.

В ходе пилотных испытаний предварительно обработанный осадок показал средний выход метана 39,7 литров в сутки, по сравнению с 26,7 литрами в сутки для необработанного осадка. Исследователи заявили, что это представляет собой увеличение выхода метана на 49,8%.

Усовершенствованный процесс предварительной обработки и анаэробного сбраживания (APAD) для повышения эффективности преобразования углерода в осадочных сточных водах в возобновляемый природный газ. (Источник: Chemical Engineering Journal)

Полученные результаты распространились и на всю систему в целом. Исследование показало, что при традиционном анаэробном сбраживании 37,3% углерода осадка было преобразовано, в то время как предварительная обработка повысила этот показатель до 61,6%. С добавлением биологической очистки биогаза общая эффективность преобразования углерода достигла 83%.

В статье это описывается как значительный скачок по сравнению с традиционными методами обработки. В своих выводах группа исследователей заявила, что вся система обеспечила увеличение производства возобновляемого природного газа на 200% по сравнению со стандартной обработкой.

Кроме того, был получен очень чистый газ. После того, как биогаз поступал в биореактор с капельным слоем, термофильный метаногенный штамм Methanothermobacter wolfeii BSEL преобразовывал углекислый газ и водород в дополнительный метан. Полученный возобновляемый природный газ показал содержание метана 99%.

«Эта технология, по сути, преобразует до 80% осадка сточных вод в нечто ценное», — сказал Аринг, профессор Лаборатории биопродуктов, наук и инженерии Университета штата Вашингтон и Школы химической инженерии и биоинженерии им. Джина и Линды Войланд.

Это важно, потому что обычный биогаз часто содержит от 35% до 40% углекислого газа, что ограничивает его использование, если он не подвергается очистке. Система WSU была призвана решить эту проблему в рамках процесса очистки, а не в виде отдельного, интенсивно химического процесса.

Ситуация с затратами гораздо сложнее.

Наиболее заметное снижение затрат было достигнуто на этапе предварительной обработки. Исследователи сообщили, что добавление системы предварительной обработки AWOEx позволило сократить затраты на обработку осадка с 494 до 253 долларов за тонну сухого вещества.

Скорость подачи и производство биогаза из предварительно обработанного и необработанного осадка сточных вод. (Источник: Chemical Engineering Journal)

Это резкое снижение, почти на 50%, и оно произошло в основном за счет сокращения количества осадка, подлежащего утилизации.

Однако полная система APAD, включающая как предварительную обработку, так и биологическую модернизацию газа, пока не обеспечила самую низкую общую стоимость обработки. Технико-экономический анализ показал, что полная установка обходится в 530 долларов за тонну сухого газа. Главной причиной был водород. Этап модернизации зависит от добавления водорода, и эта стоимость существенно влияла на экономику.

В ходе ежегодного анализа операционной деятельности, проведенного в рамках исследования, также было установлено, что наибольшую часть расходов составляют сырьевые материалы, причем значительная их часть связана с водородом.

Тем не менее, вся система в целом могла бы приносить доход за счет продажи возобновляемого природного газа и связанных с ним кредитов. Исследователи подсчитали, что от продажи возобновляемого природного газа, идентификационных номеров возобновляемых источников энергии и кредитов по стандартам низкоуглеродного топлива может быть получено более 1 миллиона долларов.

Таким образом, исследование не дает однозначного ответа. Оно демонстрирует более дешевый способ предварительной обработки на сегодняшний день, а также более амбициозную интегрированную систему, которая может стать более привлекательной, если возобновляемый водород станет дешевле.

Климатическое обещание с условиями

Экологическая ситуация развивалась по схожему сценарию.

Анализ жизненного цикла показал, что полный процесс APAD сократил чистые выбросы парниковых газов до 220 килограммов эквивалента диоксида углерода на тонну обработанного осадка, по сравнению с базовым показателем проекта в 490 килограммов. Вариант только предварительной обработки показал еще лучшие результаты, достигнув чистого отрицательного результата в минус 160 килограммов эквивалента диоксида углерода на тонну, в основном за счет компенсации выбросов, связанной с природным газом и заменой удобрений.

Усредненная стоимость обработки (LCOT) для следующих сценариев процесса: 1) только анаэробное сбраживание (AD), 2) анаэробное сбраживание с анаэробным сбраживанием (APAD), 3) только анаэробное сбраживание с анаэробным сбраживанием (AWOEx), 4) только модернизация биогаза. (Источник: Chemical Engineering Journal)

Однако сценарий, предусматривающий только модернизацию, показал худшие результаты по сравнению с базовым вариантом, составив 540 килограммов эквивалента диоксида углерода. В статье говорится, что для достижения явного преимущества в сокращении выбросов в этом случае, вероятно, потребуется безуглеродный или возобновляемый водород.

Это одно из главных ограничений исследования. Пилотная работа основывалась на использовании промышленного водорода в баллонах, и авторы утверждают, что будущие экономические и климатические достижения будут зависеть от более чистых и дешевых источников водорода. Исследователи также предположили, что результаты лабораторных и пилотных испытаний могут быть масштабированы до уровня полномасштабного производства. Образцы осадка были взяты с небольшой очистной станции в Уолла-Уолла, штат Вашингтон, производящей 4,5 тонны осадка сточных вод в день, поэтому необходимы более широкие исследования.

В состав команды входят исследователи из Университета штата Вашингтон (WSU), Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории и компании Clean-Vantage LLC, стартапа из Ричленда, занимающегося экологически чистыми технологиями. Штамм бактерий запатентован, и группа сотрудничает с Управлением инноваций и предпринимательства WSU и промышленным партнером в разработке более масштабного проекта.

Практические последствия исследования

Для предприятий, занимающихся очисткой сточных вод, наиболее очевидный вывод в ближайшей перспективе заключается в том, что улучшенная предварительная очистка может снизить нагрузку на систему утилизации и позволить извлекать больше энергии из потока сточных вод, который сейчас обходится дорого.

Для местных сообществ это может означать снижение эксплуатационной нагрузки на очистные сооружения и увеличение доли возобновляемого газа в существующих энергетических системах.

Полномасштабная интегрированная версия по-прежнему зависит от стоимости водорода и масштабируемости, но исследование предполагает, что осадок сточных вод, возможно, не обязательно должен оставаться проблемой свалок. Он может стать более полезным энергетическим ресурсом.

Результаты исследования доступны в режиме онлайн в журнале Chemical Engineering Journal .

Источник: https://www.thebrighterside.news/post/wsu-scientists-convert-sewage-sludge-into-99-pure-natural-gas-sharply-boosting-energy-recovery/