Dzisiejsze oczyszczalnie zużywają energię, żeby pozbyć się azotu. Japończycy chcą odwrócić proces i odzyskiwać go jako surowiec.
W typowej oczyszczalni azot ze ścieków ma przede wszystkim zniknąć. Bakterie mozolnie przerabiają jego związki, aż ostatecznie powstaje gazowy azot ulatujący do atmosfery. Japońscy naukowcy uznali, iż to trochę jak spalanie pieniędzy. Zmienili więc warunki życia mikroorganizmów tak, aby zatrzymać cały proces znacznie wcześniej i zachować cenny azot w postaci, z której można później odzyskać amoniak.
Dzisiaj płacimy za to, żeby azot wyrzucić
Azot jest jednym z tych pierwiastków, których jednocześnie bardzo potrzebujemy i mamy zdecydowanie za dużo tam, gdzie nie powinno go być. Bez jego związków nie byłoby współczesnych nawozów, a bez nawozów trudno byłoby wyżywić miliardy ludzi. Amoniak jest też surowcem dla przemysłu chemicznego, a coraz częściej mówi się o nim jako o nośniku energii i paliwie.
Na Spider’s Web opisywaliśmy już, dlaczego amoniak jest poważnie rozważany jako paliwo dla wielkich statków. Nie zawiera węgla, można go przechowywać i transportować znacznie łatwiej niż wodór, choć jego wykorzystanie ma własny zestaw poważnych problemów. Jednocześnie związki azotu wypuszczone do środowiska napędzają eutrofizację wód, przyczyniają się do powstawania podtlenku azotu i zaburzają całe ekosystemy. Dlatego oczyszczalnie starają się je usuwać.
W klasycznym procesie bakterie najpierw rozkładają organiczne związki azotu do jonów amonowych. Później inne mikroorganizmy zabierają się właśnie za ten amon: powstają azotyny, azotany, a następnie kolejne pośrednie związki, aż ostatecznie azot zostaje uwolniony jako N2. Problem jednak w tym, iż wcześniej przemysł zużył energię, żeby stworzyć użyteczne związki azotu, a oczyszczalnia zużywa kolejną porcję energii, żeby się ich pozbyć.
Naukowcy zatrzymali bakterie w połowie roboty
Zespół z Japonii postanowił przerwać ten łańcuch dokładnie w momencie, gdy azot znajduje się w postaci jonów amonowych. Doświadczenie przeprowadzono w pomniejszonym układzie wzorowanym na rzeczywistej oczyszczalni ścieków z przemysłu fermentacyjnego. Takie odpady powstają m.in. podczas produkcji żywności oraz farmaceutyków.
Łączna objętość eksperymentalnej instalacji wynosiła około 33 l. Badacze wykorzystali osad czynny z oczyszczalni oraz syntetyczne ścieki opracowane na podstawie rzeczywistych strumieni przemysłowych. najważniejsze okazały się 2 pokrętła: tlen i pH.
W klasycznej oczyszczalni do zbiorników wtłacza się duże ilości powietrza, ponieważ bakterie nitryfikacyjne potrzebują tlenu. Japończycy zeszli z jego stężeniem do około 1 mg/l lub mniej. Jednocześnie obniżyli pH do około 5,8. Dla mikroorganizmów utleniających amoniak to kiepskie warunki. I dokładnie o to chodziło.
Zmiana parametrów nie wyłączyła jednak po prostu biologii oczyszczalni. Przebudowała przede wszystkim cały znajdujący się w niej ekosystem. Liczba kopii genów charakterystycznych dla bakterii utleniających amoniak spadła o około dwa rzędy wielkości, czyli mniej więcej 100-krotnie. Zamiast nich zaczęły dominować mikroorganizmy dobrze radzące sobie z rozkładaniem związków organicznych i uwalnianiem z nich amonu.
Szczególnie mocno namnożyły się Extensimonas soli i Thermomonas haemolytica. W stabilnym układzie pierwsza odpowiadała miejscami za około 51 proc., a druga za około 27 proc. badanej społeczności prokariotycznej. Bakterie przez cały czas wykonywały więc najważniejszą pracę oczyszczalni: rozkładały organiczne zanieczyszczenia. Po prostu przestały niszczyć surowiec, który naukowcy chcieli odzyskać.
W finalnych etapach trzech testowanych sposobów uruchomienia instalacji wskaźnik konwersji i zatrzymania azotu w formie amonowej wynosił od 77,6 do 103,6 proc., a usuwanie węgla organicznego utrzymywało się na poziomie około 90 proc. lub wyższym. Oznacza to, iż można jednocześnie dobrze oczyszczać ścieki z materii organicznej i pozostawiać większość interesującego nas azotu do dalszego odzysku.
Najlepiej zadziałało uderzenie z dwóch stron naraz
Badacze sprawdzili trzy sposoby przestawienia istniejącego osadu czynnego. W pierwszym jednocześnie zmniejszyli ilość tlenu i obniżyli pH. W drugim najpierw ograniczyli tlen, a dopiero później obniżyli pH. W trzecim zrobili odwrotnie. Najszybciej ustabilizował się wariant, w którym obie zmiany zastosowano od razu.
Samo ograniczenie tlenu również dawało bardzo szybki wzrost zatrzymywania jonów amonowych. Przy samym obniżeniu pH bakterie potrzebowały mniej więcej tygodnia, żeby odpowiednio przebudować społeczność. To dobry znak z punktu widzenia prawdziwej oczyszczalni. Nie trzeba projektować od podstaw zupełnie nowej armii specjalnie wyhodowanych mikroorganizmów. Można wziąć społeczność już pracującą w osadzie czynnym i poprzez zmianę jej środowiska sprawić, aby zaczęła wykonywać inne zadanie.
Jest jednak jedno bardzo istotne zastrzeżenie. Po tym etapie nie otrzymujemy beczki czystego NH3 gotowego do zatankowania statku. Azot pozostaje przede wszystkim jako rozpuszczone w wodzie jony amonowe NH4+. Dopiero kolejny element instalacji musi je oddzielić i skoncentrować. Naukowcy zakładają wykorzystanie membran albo materiałów adsorpcyjnych. Końcowym produktem może być skoncentrowana woda amoniakalna nadająca się do dalszego zastosowania.
Technologie selektywnego odzyskiwania amonu ze ścieków już istnieją. Problem polega na tym, iż znacznie lepiej działają, kiedy wcześniejszy etap oczyszczania zachowa amon, zamiast biologicznie zamieniać go w inne związki. Nowa metoda jest więc przede wszystkim brakującym pierwszym krokiem.
Woda zrobiła się bardziej mętna
Przestawienie mikroorganizmów nie odbyło się jednak zupełnie bez kosztów. Po gwałtownym zmniejszeniu ilości tlenu ścieki na wyjściu stawały się bardziej mętne. Problem wynikał głównie z komórek mikroorganizmów, które gorzej tworzyły zwarte kłaczki osadu i trudniej było je później oddzielić przez zwykłe sedymentowanie. Badacze znaleźli jednak sposób na ograniczenie efektu.
Nie można zredukować tlenu zbyt agresywnie. Odpowiednia regulacja napowietrzania pozwala utrzymać warunki wystarczająco nieprzyjazne dla bakterii nitryfikacyjnych, a jednocześnie nie rozwalić struktury osadu. To właśnie takie szczegóły będą teraz najważniejsze przy skalowaniu technologii.
Na razie eksperyment odbywał się w pomniejszonym układzie i na ściekach symulowanych na podstawie rzeczywistych strumieni przemysłowych. Następnym krokiem mają być większe testy na ściekach z przemysłu fermentacyjnego, a później również sprawdzenie procesu na wodach o niższym stężeniu azotu, w tym zwykłych ściekach komunalnych.
Mikroaerobowy proces osadu czynnego został pomyślany jako retrofit. Czyli zamiast burzyć oczyszczalnię i stawiać obok nową, można wykorzystać istniejące zbiorniki, osad czynny oraz dużą część infrastruktury. Zmienia się przede wszystkim sposób prowadzenia procesu.
To może powodować jeszcze mniejsze napowietrzanie oznacza mniejszą pracę dmuchaw dostarczających tlen, czyli jednego z istotnych odbiorców energii w biologicznym oczyszczaniu ścieków. Dokładnych oszczędności energetycznych dla pełnowymiarowej instalacji nowe badanie jeszcze nie wylicza, więc tutaj nie ma sensu ogłaszać rewolucji przed testami.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
