Ежегодно в мире образуется около 359 миллиардов кубических метров сточных вод — этого достаточно, чтобы четыре раза заполнить Женевское озеро. Половина мировых сточных вод сбрасывается в канализацию, а остальная часть дорогостоящим и неэффективным способом очищается для повторного использования. Новые технологии, основанные на использовании микроорганизмов, могли бы извлекать эти ресурсы из сточных вод, экономить деньги и уменьшать вред для окружающей среды.
Сточные воды — это использованная вода, содержащая органические вещества и питательные элементы, — бытовые стоки (туалеты, душевые, прачечные), промышленные/коммерческие воды (ополаскивание, охлаждение, уборка) и воды, используемые в пищевой промышленности (кухни, рестораны, предприятия по переработке пищевых продуктов).
«В глобальном масштабе наши сточные воды содержат более 800 000 ГВт·ч химической энергии, что эквивалентно годовой выработке 100 атомных электростанций. Они также богаты питательными веществами, используемыми в сельскохозяйственных удобрениях, которые, если их повторно использовать, могли бы удовлетворить 11% мирового спроса на аммиак и около 7% на фосфаты», — сказал ведущий автор исследования, опубликованного Frontiers in Science, профессор Уве Шрёдер из Грайфсвальдского университета в Германии.
В этом обзоре, подготовленном международной группой исследователей, рассматривается, как технологии, использующие бактерии, генерирующие электричество, — подобные тем, которые уже были опробованы на фестивале Glastonbury в Великобритании и в полевых испытаниях в Уганде, Кении и Южной Африке, — могут помочь вернуть ресурсы, которые в настоящее время растрачиваются впустую.
Однако исследователи утверждают, что для масштабного внедрения этой технологии потребуется широкая коалиция исследователей, поставщиков воды и политиков, чтобы преодолеть возникающие проблемы, начиная от чрезмерного регулирования в сфере циклической экономики и заканчивая инженерными препятствиями.
Круговая экономика энергии и питательных веществ
Исследователи обсуждают микробные электрохимические технологии как более эффективный способ очистки сточных вод с использованием микроорганизмов, известных как электрогенные бактерии.
Хотя микроорганизмы уже используются для очистки сточных вод методом анаэробного сбраживания, этот подход преобразует в электричество лишь 28% химической энергии. Микроорганизмы можно интегрировать в такие системы и улучшить их.
Эти бактерии передают электроны в окружающую среду, создавая электрический ток при соединении с электродами в топливном элементе. В лабораторных условиях они могут преобразовывать до 35% химической энергии сточных вод в электричество.
Авторы утверждают, что в принципе вырабатываемая электроэнергия могла бы даже помочь в обеспечении работы самого сектора водоснабжения, на долю которого в настоящее время приходится около 4% мирового потребления энергии.
Микроорганизмы также могут помочь извлечь питательные вещества из сточных вод, очищая их для дальнейшего использования. Эти важнейшие компоненты удобрений обычно производятся энергоемкими или неэкологичными методами. Удаление этих соединений из сточных вод принесет двойную пользу: позволит восстановить ценные ресурсы и уменьшить загрязнение, поскольку сброс богатых питательными веществами сточных вод может вызывать цветение водорослей в водоемах, что приводит к кислородному голоданию рыб.
«Это ценные химические вещества, которые мы не можем позволить себе выбрасывать. После удаления полученные вещества воду можно использовать повторно различными способами, например, для полива сельскохозяйственных культур или промышленного охлаждения. Затем ее можно дополнительно очистить для получения питьевой воды», — сказала соавтор исследования доктор Элизабет Хайдрих из Ньюкаслского университета, Великобритания.
Возможно, существует множество других нишевых применений, от рециркуляции питательных веществ в гидропонных системах до питания автономных датчиков, обнаруживающих загрязнение.
Санитария для всех
Исследователи утверждают, что, улучшая как санитарные условия, так и утилизацию ресурсов, микро-, энергетические и водохозяйственные системы представляют собой убедительное решение для достижения шестой Цели устойчивого развития ООН, направленной на обеспечение доступности и устойчивого управления водными ресурсами и санитарией для всех.
Системы очистки воды с использованием электрогенных бактерий (microbial electrochemical technologies (METs)) доказали свою эффективность в пилотных испытаниях, предоставляя возможность очистки большего количества воды в более широком диапазоне условий. Например, система METs, работающая на моче, под названием Pee Power, была испытана на фестивале Glastonbury в 2015 году, одном из крупнейших в мире музыкальных фестивалей под открытым небом. С тех пор она успешно прошла долгосрочные полевые испытания в Уганде, Кении и Южной Африке.
Система преобразует сточные воды в электричество, обеспечивая работу освещения вокруг туалетов и снижая риски для безопасности в местах без электроснабжения.
«За последние двадцать лет развитие микробных технологий позволило нам перейти от понимания „микробного черного ящика“ к созданию модульных, масштабируемых систем, способных оказывать реальное воздействие на мир. Сейчас мы находимся на этапе, когда эти технологии технически осуществимы; следующий шаг — обеспечение их экономической конкурентоспособности по сравнению с традиционными методами очистки. Стратегически интегрируя микроочистные сооружения в существующую инфраструктуру, мы можем превратить глобальное управление сточными водами в самоподдерживающийся механизм извлечения ресурсов», — сказал доктор Дипак Пант из Фламандского института технологических исследований (VITO), Бельгия.
«В глобальном масштабе около 3,5 миллиардов человек не имеют доступа к централизованной канализации. Расширение очистки сточных вод может помочь улучшить условия жизни многих беднейших слоев населения мира, а также предотвратить экологический ущерб. Микробные электрохимические технологии могут стать локальным решением для превращения вредных сточных вод в ценный ресурс», — сказал соавтор, профессор Иоаннис Иеропулос из Университета Саутгемптона, который также является директором METs, занимающейся коммерциализацией технологии микробных топливных элементов.
Преодоление препятствий
Несмотря на свой потенциал, эти технологии сталкиваются с препятствиями на пути к широкому внедрению. Жесткие нормативные рамки часто не подходят для экономики замкнутого цикла, которая предполагает переработку отходов. Например, во многих странах удобрения, полученные из мочи, нельзя использовать для выращивания продуктов питания или кормов для животных. Существуют также инженерные препятствия, мешающие обеспечению высокой производительности материалов METs при непрерывной работе.
«Хотя представить себе возможность обеспечения наших домов электроэнергией за счет сточных вод было бы преувеличением, микробные электрохимические технологии могли бы улучшить существующие процессы очистки воды. Широкое внедрение микробных электрохимических технологий было бы особенно полезно для сточных вод с высокой концентрацией примесей или в местах, где существующие методы очистки слишком дороги или недоступны для всех», — сказал соавтор, профессор Фальк Харниш из Центра экологических исследований им. Гельмгольца, Германия.
Источник: Frontiers.
