Sewage sells: the hidden value of wastewater — ABC Chemicals

Открытое посещение очистных сооружений раскрывает удивительную ценность сточных вод. Хейли Беннетт сообщает

Утро понедельника, и на очистных сооружениях сырая сточная вода поступает из близлежащего города Реддитч, Великобритания. Есть две трубы, одна из города, а другая поменьше из местных деревень. Человеческие экскременты мирно дрейфуют мимо. Сверху запах не так плох, как вы могли бы себе представить, но есть определенный гул. Слева, красный пропуск собирает все, что больше ширины карандаша. Скип полон пластика, сантехники, детских салфеток и песка, который смыл с дороги. Это «грязный конец» завода, говорит с улыбкой Пит Вейл из Severn Trent, хотя и не шутит. Нет ничего лучше, чем просмотреть содержимое туалетов 90 000 человек, чтобы увидеть человечество лицом к лицу.

Водное хозяйство заинтересовано в круговом управлении сточными водами, но рынок не готов

Франческо Фатоне, Политехнический университет Марке, Италия

Сточные воды и большинство процессов их обработки здесь, на станции очистки сточных вод Spernal, типичны для очистных работ среднего размера. Pondweed сидит на вершине первичных отстойников, и полосы активного ила быстро пузырются, поскольку микробы усердно разрушают органическое вещество. На заднем плане в четырех бетонных резервуарах, достаточно высоких, чтобы их можно было увидеть в нескольких милях вниз по дороге, из сгущенного ила, полученного в результате этих двух процессов, производится биогаз. «Чистый конец» находится в нескольких минутах ходьбы, в самом сердце растения. Здесь появляется что-то новое и захватывающее. Кое-что с потенциалом перевернуть всю концепцию сточных вод с ног на голову.

Нижняя линия

Прямо сейчас, это похоже на чистую бетонную плиту с парой больших резервуаров, сидящих на ней. Строительные рабочие все еще на месте, заканчивают подъездные пути. Но для Вейла, который является техническим лидером водной компании в области инноваций, это представляет гораздо больше. «Это наш новый испытательный полигон», — говорит он, объясняя, что бетонная плита является в настоящее время центром усилий Северн Трент по превращению своих очистных сооружений в «заводы по восстановлению ресурсов». Здесь компания будет экспериментировать с целым рядом технологий, предназначенных для извлечения химической энергии и питательных веществ, таких как фосфор и азот, а также, если все пойдет хорошо, целлюлозы, биоразлагаемых пластиков и даже белков. По словам Вейла, строительство этого испытательного стенда сигнализирует о начале изменения шага для Северн Трент. «Мы собираемся опробовать новые технологии, которые, мы надеемся, переместят нас с традиционного способа очистки сточных вод на просмотр их в качестве ценного ресурса и восстановление того, что мы можем», — объясняет он.

Это не просто несбыточная мечта. Восстановление энергии уже является обычным явлением на канализационных установках в Великобритании и по всей Европе, и теперь компании, занимающиеся очисткой воды, серьезно рассматривают другие решения, позволяющие сделать их промышленность более рентабельной и экономически эффективной. Восстановление материалов напрямую связано с идеями о круговой экономике будущего, но это также еще один способ улучшить итоги.

SMART-Plant, европейский исследовательский проект, в котором Severn Trent активно участвует, фокусируется на внедрении некоторых наиболее перспективных процессов восстановления в очистные сооружения на основе энергосберегающих технологий. «Мы применяем технологии, которые могут повысить энергоэффективность, что дает им немедленную выгоду, и, кроме того, вы можете извлекать материалы», — говорит инженер-химик Франческо Фатоне из Политехнического университета Марке в Анконе, Италия, который координирует проект. «Потому что в настоящий момент, да, [водная отрасль] заинтересована в готовности к круговому управлению сточными водами, но поскольку рынок еще не готов, нам нужен другой драйвер». До настоящего времени в рамках проекта были созданы демонстрационные площадки на шести различных станциях очистки сточных вод по всей Европе, от Израиля до Нидерландов. Один пилот на заводе в Карбонере, Италия, в настоящее время производит 300 г фосфора в форме струвита (фосфата магния-аммония) и 1 кг полигидроксиалканоатов (PHAs) — ингредиентов для производства биоразлагаемых пластиков — в день, при этом экономя энергию около 20%. , Извлеченный струвит можно использовать в качестве удобрения, но его удаление также приносит пользу компаниям, занимающимся водоснабжением, поскольку это является основной причиной образования накипи в водопроводных трубах.

Извлечение Р

Между тем, на экспериментальном заводе в Университете Крэнфилд в Великобритании — поиск сточных вод непосредственно из крупных очистных сооружений университета — еще одно решение SMART-Plant — это извлечение фосфора, не в виде струвита, а в виде фосфата кальция. По словам Аны Соареш, старшего преподавателя биологической инженерии, дешевле восстанавливать ее таким образом. Используемая ею технология адаптирована из коммерческих ионообменников, используемых для удаления мышьяка из загрязненной воды, и должна быть установлена на новом испытательном стенде Severn Trent в этом году. Как объясняет Соареш, он использует шарики, покрытые наночастицами железа, для извлечения фосфора из сточных вод. «Мы заметили, что эта среда содержит железо, а железо обладает высоким сродством к фосфору», — говорит Соареш. «Таким образом, мы пропускаем сточную воду через слой, заполненный этой средой, фосфор связывается с наночастицами железа, и мы можем выборочно удалять фосфор». Чтобы вывести фосфор, они добавляют гидроксид натрия, чтобы заставить его расщепляться, а затем гидроксид кальция, чтобы осадить его в виде фосфата кальция.

Sewage sells: the hidden value of wastewater - ABC Chemicals

Источник: © Клаудия Фландоли

Долгое время фосфор рассматривался как загрязняющее вещество из-за его вредного воздействия на водные пути.2 Все очистные сооружения должны держать строгое количество, которое они отправляют обратно в окружающую среду. Но они могут сделать это, просто дозируя воду железом для ее осаждения — для удаления, а не для восстановления. Так действительно ли достаточно фосфора в сточных водах, чтобы сделать технологии восстановления разумными инвестициями? Об этом узнает Северн Трент, но Вейл считает, что в сточных водах содержится около 8–10 мг на литр, половина из которых поступает из человеческих отходов. «Так относительно низкие концентрации», — признается он. «Однако, если вы думаете о высоких потоках … это довольно важно». По приблизительным оценкам, Вейл полагает, что на очистных сооружениях в Великобритании может быть достаточно почти половины того, что импортируется в качестве удобрения. Процесс Cranfield восстановил бы его в той же форме — фосфат кальция — как он обнаружен в богатых фосфатом породах (апатит) в таких странах, как Китай и Марокко. Такие минералы, конечно, истощаются, и у Великобритании нет собственных запасов.

Испытательный стенд Spernal будет экспериментировать с извлечением фосфора и азота — используя вторую технологию ионного обмена для извлечения азота — в сочетании с анаэробным мембранным биореактором, который генерирует биогаз.3 Стоя перед своей пустой плитой, Вейл пытается представить, как это будет выглядеть. «Основной биологический реактор не будет сильно отличаться от активного ила», — говорит он, указывая на аэрированные резервуары, которые мы видели раньше, пузырясь. «Вероятно, в более высоком аквариуме. Но вместо того, чтобы вдувать в него воздух, у вас просто есть сточные воды, поступающие внизу, и бактерии, которые являются скорее анаэробными, чем аэробными. Твой биогаз идет с верхушки, а твои стоки выходят. Нет необходимости продувать воздух, что экономит энергию и деньги, но поскольку анаэробное пищеварение работает в медленном климате довольно медленно, мембрана необходима для удержания всех бактерий в реакторе. Однако эта мембрана не отфильтровывает фосфор или азот, поэтому они могут быть восстановлены впоследствии.

Флеш и сгиб

Питательные вещества — это только отправная точка для восстановления материалов, а испытательный стенд Spernal предназначен для испытания 12 различных технологий одновременно. Во время нашего тура Vale останавливается рядом с некоторыми недавно установленными насосами, чтобы объяснить, как все это работает. Поток прерывается либо до, либо после того, как он поступает в отстойники, и новые насосы доставляют его на испытательный стенд для прохождения обработки в одном или комбинации испытательных процессов. Очищенная вода затем может быть возвращена на основные работы для традиционной обработки. Он описывает ее как систему «подключи и работай», которая подключается к основным канализационным потокам.

Так что при всей этой гибкости, что еще они могут подключить? Вейл считает, что восстановление целлюлозы возможно в ближайшем будущем. Хотя у Severn Trent пока нет четких планов, у него есть связи с CirTec, голландской компанией, занимающейся утилизацией целлюлозы из туалетной бумаги в сточных водах (оба являются партнерами SMART-Plant). В 2017 году CirTec открыл первую канализационную сеть для целлюлозного завода. , в Warmenhuizen, Нидерланды.

На заводе Warmenhuizen волокна использованной туалетной бумаги отделяются от жидкости более тонким, чем обычное просеивание. Эта относительно простая технология добавит дополнительный слой экрана поверх более грубого слоя, который будет добавлен в большой красный пропуск Spernal. Как объясняет технический директор Coos Wessels, процесс CirTec возник из попыток увеличить производство биогаза путем фильтрации и использования большего количества твердого вещества из сточных вод. «Мы поместили [твердую часть] под микроскоп, и, глядя на него, в этом материале, который мы проверяли, было много целлюлозы», — говорит он. «А целлюлоза является ценным продуктом». Мировой рынок целлюлозного волокна оценивается в более чем $21 млрд. (17 млрд. Фунтов стерлингов), и он растет по мере роста спроса со стороны текстильной промышленности. В проверенном материале CirTec целлюлоза составляет около 70%, а остальное составляют жир, волосы, семена и другие органические материалы, поэтому компания разработала процесс, который до сих пор не опубликован, для получения целлюлозы и гемицеллюлозы 90% ( более короткие полимерные цепи) из смеси.

Конечный продукт ReCell выпускается в виде пуха или гранул и продается в виде асфальтовой добавки и для изготовления изоляции. Его первое коммерческое применение было в километровой части голландской велосипедной дорожки. Будет ли он когда-либо представлен в более личных продуктах, таких как одежда и предметы интерьера, — это другой вопрос, но Вессельс полагает, что результаты его исследований в Нидерландах показывают, что люди с большим энтузиазмом относятся к материалам, полученным из использованной туалетной бумаги. «Общее восприятие того, что мы делаем, весьма положительное, даже если мы обрабатываем его в виде столов, цветочных горшков или вещей, которые можно использовать рядом с домом», — говорит он.

Sewage sells: the hidden value of wastewater - ABC Chemicals

Источник: © Бен Валслер / Королевское химическое общество

Следующими наиболее желательными материалами, с точки зрения Вейла, являются ингредиенты для биопластиков, подобные тем, которые производятся на заводе Carbonera. Здесь могут пригодиться ссылки с Fatone. В Carbonera богатый целлюлозой осадок из сточных вод сбраживается в реакторе, где он питает специализированные бактерии, которые накапливают полимеры PHA в качестве источника энергии. Бактерии естественным образом производят и хранят полимеры из жирных кислот с короткой цепью, когда происходит внезапный избыток углерода. Они также делают это в иловом реакторе в условиях праздника и голода, а это значит, что эти штаммы можно обогатить и убедить их сделать много ПГА. Хитрость, объясняет Фатоне, заключается в извлечении ПГА без агрессивных химических веществ. «В противном случае, мы делаем все возможное, чтобы получить чистый и экологически чистый процесс, а затем мы используем хлороформ для экстракции», — говорит он. Таким образом, одной из проблем является поиск зеленых растворителей, которые не слишком дороги.

Используя более жесткие химикаты, они могли бы также получить более чистый продукт, который лучше сравнивается с синтетическими продуктами PHA. Но это не цель, и, по сути, может снизить качество самих полимеров. Конечный порошкообразный продукт содержит смесь PHA с различными структурами, причем PHA гидроксивалератного типа является наиболее желательным благодаря их превосходной прочности и гибкости. Очищение в большей степени может привести к разрыву цепей и снижению стоимости. Синтетические ПГА используются в биоразлагаемых медицинских устройствах, но Fatone надеется, что восстановленные полимеры найдут рынок и применения, которые не требуют их высокой степени очистки.

На рынке перемен

Как с извлечением целлюлозы, так и с PHA, выход продукта на рынок будет ключевым. Технологически, они уже продемонстрированы в полном объеме на модульных перерабатывающих заводах; апскейлинг просто означает добавление большего количества модулей. Более серьезной проблемой является создание рынков для продуктов, которые не имеют стандартов — и поступают из туалетной воды. Несмотря на то, что Вессельс говорит об общественном восприятии, легко понять, почему промышленность может оставаться осторожной. Фатоне и его сотрудники SMART-Plant в настоящее время обсуждают этот вопрос с Европейской комиссией и национальными правительствами. «Мы должны стандартизировать оценку этих восстановленных материалов», — говорит он. «Например, какие стандартные тесты необходимо выполнить для строительной отрасли или для отрасли удобрений?» Они уже проводят мониторинг некоторых загрязняющих веществ, включая тяжелые металлы и некоторые фармацевтические препараты, и обнаруживают низкие уровни, хотя там, где есть смесь бытовых сточных вод и сточных вод, загрязнение может представлять большую проблему.

Вы можете производить газовые потоки из сточных вод — метан, аммиак и углекислый газ

Пит Вейл, Северн Трент Уотер

В конечном счете, если только очистные сооружения не найдут клиентов для продажи своих переработанных продуктов, эти продукты останутся ненужными — не лучше, чем содержимое большого красного скипа Spernal. Вейл, тем не менее, с оптимизмом смотрит на перспективы, его усилия направлены на то, чтобы все, что входит в его домен, было возобновляемым или вскоре использовалось повторно. Пока мы болтаем с новыми насосами, он указывает на фургон с электроприводом, который только что остановился и размышляет о содержимом скипа, который можно использовать для производства энергии посредством пиролиза, а не томиться на свалке. Когда его спросили о будущих возможностях восстановления из сточных вод, он высказал «дурацкую» идею восстановления белков, которые можно было бы использовать в кормах для скота или аквакультуры. «Вы можете производить газовые потоки из сточных вод — метана, аммиака, углекислого газа — все, что вам нужно для производства одноклеточного микробного белка», — говорит он.

Там может быть даже золото в них там плавает. В прошлом году исследователи из Университета Вулверхэмптона в Великобритании сообщили о результатах пилотного исследования содержания драгоценных металлов в осадке сточных вод, обнаружив в смеси золото, серебро, платину и медь. Хотя, по общему признанию, вы, вероятно, будете получать меньше тонны золота в год и платины из всего объема сточных вод в Великобритании. Вейл говорит, что могут быть возможности для извлечения платины и, возможно, родия, которые поступают из каталитических нейтрализаторов и смываются в канализацию с дорог. Но они, вероятно, должны быть извлечены из золы путем пиролиза ила, что будет означать изменение способа обращения с илом в Великобритании.

Взглянув на чистую воду, которая самостоятельно осмотрела все работы и готова вернуться к реке Стрелка, Вейл обдумывает сингапурскую систему сверхочистки сточных вод, прежде чем отправить ее обратно в кран. Это еще один вариант повышения эффективности очистки воды, хотя он встречает проблемы общественного восприятия в Великобритании. Однако, как указывает Вейл, даже здесь: «[Вода] сбрасывается в реку, а затем в нескольких милях вниз по течению будут проводиться водоочистные сооружения, которые вытащат ее из реки, очистят ее и поставят в запас. , Так что на самом деле это не так уж и отличается. Каким-то образом нам удается избежать того, что та же самая вода, которую мы рассматриваем как отходы, когда она покидает очистные сооружения, становится важным ресурсом в нескольких милях вниз по течению. Точно так же мы берем осадок сточных вод, содержащий фосфор и азот, и распространяем его на наших полях в качестве удобрения, но мы не придаем ему никакой ценности, поскольку он покидает очистные сооружения. Severn Trent платит из собственных карманов за доставку, беря только номинальную плату за отстой. Так что, может быть, пришло время начать понимать ценность того, что мы спускаем в унитаз. Станция очистки сточных вод — это не место утилизации отходов прошлого, это биоперерабатывающий завод будущего.

Хейли Беннетт — научный писатель из Бристоля, Великобритания.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *