Рост населения определяет неминуемое возникновение напряжения в вопросах, связанных с такими жизненно важными ресурсами, как вода и энергия.
Только в США, бизнес и города производят 136 миллионов литров сточных вод каждый день.
Потребность в воде делает очистку сточных вод и их повторное использование особо важными вопросами. На очистку вод тратится большое количество энергии. Однако вместо этого, можно рассматривать сами сточные воды как энергетический ресурс.
У компаний, занимающихся очисткой сточных вод, есть возможность развиваться дальше в утилизации промышленных сточных вод. Они могли бы производить электричество и связанные с этим продукты с добавленной стоимостью прямо из органического вещества стоков. Однако, перед тем как эти организации станут оценивать сточные воды как потенциальный ресурс топлива, им следует учитывать 6 следующих пунктов:
1. От двух до трех процентов потребности электроэнергии США приходятся на аэрацию на очистных сооружениях.
Американская промышленность должна очищать индустриальные сточные воды, чтобы соблюдать требования законодательства и безопасности. Это влечет за собой расходы на очистку и на электричество, достигающие сотни тысяч долларов в год, в зависимости от метода. Предприятия должны удалить из стоков загрязняющие вещества, для чего им приходится платить за фильтрацию, аэробное и анаэробное разложения, хлорирование, необходимые для очистки сточных вод. Наиболее распространенный подход в США – это аэробное разложение, при котором используется кислород для удаления органического вещества из стоков с высокими показателями БПК.
Все эти процессы требуют потребления электрической энергии, но стоки сами по себе содержат энергию. Компании могли бы использовать биологическую инженерию, чтобы «подключиться» к этому источнику.
2. «Менее энергоемкие» способы очистки недостаточны.
Компании-операторы рассматривали процессы, подобные анаэробному разложению, как возможно лучшую альтернативу для очистки твердых и высококонцентрированных жидких стоков, поступающих из муниципальных и индустриальных источников. Анаэробное разложение энергетически менее затратно, чем аэрация, и в его процессе образуется биогаз, который может сжигаться для получения энергии. Однако эти биогазы часто оказываются низкокачественными (55-75% фракции горючего газа) и требуют промывки или других дорогостоящих процессов обработки, перед тем как могут быть использованы для производства энергии.
Также, система анаэробного разложения уступает по уровню очистки по БПК. Операторы столкнулись с проблемой большого времени гидравлического задержания и необходимостью энергоемкой аэробной доочистки для удаления остатков органики. Все это требует больших усилий от оператора, который должен постоянно наблюдать и контролировать параметры реактора, включая температуру, уровень БПК и pH.
3. Биоэлектрохимическая система (БЭС) может производить энергию и другие продукты с дополнительной стоимостью из сточных вод.
Эти системы используют электрически активные микроорганизмы (exo-electrogens) генерируя электричество прямо от их контакта с электродами. Традиционные топливные элементы (батареи) или электрохимические системы используют химические катализаторы, которые окисляют топливо (водород) на анодах и восстанавливают кислород на катодах.
Цепь между анодом и катодом получает электрическую энергию, образующуюся в этом процессе. БЭС работают подобно топливной батарее, но имеют регенерирующиеся катализаторы в виде живых микроорганизмов. Эти микробы могут окислять и восстанавливать определенный диапазон органических веществ, включая сточные воды. С БЭС, операторы очистных сооружений могут производить электричество, метан, водород и сопутствующие продуты из сточных вод, одновременно компенсируя расходы на очистку. В то же время, они также поддерживают альтернативный источник энергии, так как электрогенерирующие бактерии могут осуществлять дыхание через прямой контакт с электродами. Это может быть использовано, чтобы снабжать энергией насосы и подогревать воду, приводя к более быстрой окупаемости, чем очистка с помощью анаэробного разложения.
4. Существуют требования рынка, сдерживающего промышленность от релизации преимуществ технологии БЭС.
Первая проблема связана с производством. Электроды и другие компоненты могут быть дорогими, так что производителям БЭС необходимо развивать решения с низкой стоимостью.
Вторая проблема связана с необходимостью масштабирования. Компания Академия увеличила БЭС до размера более одного кубического метра, и некоторые развивающиеся компании пошли даже далее этого. Однако будущие демонстрации должны будут показать возможность масштабировать эти системы до промышленного уровня. С этой точки зрения, самым большим вопросом станет их введение в эксплуатацию. Если промышленные и муниципальные потребители примут БЭС от маленького до среднего размера, то инжиниринговые компании и более крупные организации последуют за ними.
5. Водоканалы, агрокомплексы, компании по производству продуктов питания и напитков, и другие должны следить за развитием БЭС.
Комбинация технологий анаэробной очистки и БЭС может быть существенной для городов и корпораций. Эти организации нашли энергетически эффективную очистку лучше обычной, но очистка, производящая энергию, станет для них еще большим призом.
6. Когда сточные воды станут энергетическим ресурсом, вопросы воды и энергии разделятся.
Ядерное и горючее топливо требуют значительного количества воды, забирающейся из рек и озер, которая также необходима в продуктовых и сельскохозяйственных интересах. В свою очередь, существующие методы очистки сточных вод требуют значительных энергетических затрат. Реализация биоэлектрохимической системы позволит организовать очистку сточных вод на энергетическом самообеспечении, и, тем самым, позволит промышленным и муниципальным операторам очистных сооружений разорвать взаимосвязь между потребностью в водных и энергетических ресурсах и сохранить их для будущего.
Таким образом, перед компаниями-операторами очистных сооружений открываются большие возможности извлечения дополнительной выгоды из очистки сточных вод, как в экономическом плане, так и с точки зрения устойчивости решений.