Poznanie procesów chemicznych związanych z oczyszczaniem ścieków pomoże ograniczyć emisje gazów cieplarnianych
Oczyszczalnie ścieków produkują gazy cieplarniane takie jak metan i tlenek diazotu (N2O). Chociaż wydzielane ilości N2O są stosunkowo niewielkie, to mogą wywoływać prawie 300 razy większy efekt cieplarniany niż ta sama ilość dwutlenku węgla. Zgodnie z porozumieniem paryskim takie oczyszczalnie muszą obniżyć swoje emisje i stać się neutralne dla klimatu, a to obejmuje ograniczenie emisji N2O. Zakłady stoją jednak przed nie lada wyzwaniem – produkcja N2O to złożony proces, dlatego trudno jest ustalić, które etapy procesu oczyszczania ścieków są za nią odpowiedzialne. Zachodzące podczas oczyszczania ścieków procesy biologiczne nie są szczególnie skomplikowane w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, ale w warunkach rzeczywistych w procesach tych biorą udział złożone i zmienne połączenia różnych szczepów bakterii o różnych metabolizmach. Zmienny skład wcieków i napowietrzanie dokonywane w oczyszczalniach stanowią dodatkową przeszkodę, dlatego badanie problemu wytwarzania N2O w warunkach laboratoryjnych niekoniecznie odzwierciedla sytuację w oczyszczalniach.
Problem produkcji N2O w warunkach rzeczywistych
Zespół finansowanego przez UE projektu AMACONOE zbadał produkcję N2O w oczyszczalniach ścieków, by pomóc w ograniczeniu emisji. Naukowcy zebrali parametry operacyjne z oczyszczalni, tworząc najbardziej kompleksową bazę danych na świecie oraz przeprowadzili zaawansowane analizy danych z zastosowaniem technik statystycznych i modelowania procesów. Wielkość i złożoność bazy danych pozwoliła na wykonanie analiz, które nigdy wcześniej nie były możliwe. Przeprowadzona ocena modelu wskazała kierunek dla zmian, które należy wprowadzić w oczyszczalniach. Badacze ustalili, że autotroficzne bakterie utleniające amoniak wytwarzają tlenek diazotu (N2O) podczas oczyszczania tlenowego, a bakterie nitryfikacyjne – azotan (NO3). Co jednak ważniejsze, zespół odkrył, że podwyższone stężenie azotanów na początku fazy oczyszczania w warunkach anoksycznych (nisko tlenowych) pozwoliło wyeliminować N2O z cieczy. „Podejrzewamy, że organizmy heterotroficzne najpierw wykorzystują NO3, a dopiero potem N2O”, wyjaśnia prof. Gürkan Sin, koordynator projektu. „Dlatego też zrównoważone działanie oczyszczalni wymaga odpowiedniego zarządzania zarówno etapami oczyszczania tlenowego, jak i anoksycznego”.
Praktyczne środki kontroli
Oczyszczalnie ścieków muszą zatem dokładnie kontrolować przebieg procesów napowietrzania zarówno pod względem czasu ich trwania, jak i intensywności. W ramach projektu powstały technologie, które to umożliwiają. Pierwsza z nich to metoda zarządzania napowietrzaniem w fazie tlenowej, która przyczynia się do ograniczenia produkcji N2O. Dodatkowo zespół opracował rozwiązanie pozwalające na kontrolowanie usuwania N2O w fazie anoksycznej poprzez regulację zewnętrznego źródła węgla polegającą na stopniowym dozowaniu wcieku. „Wiele zakładów korzysta już z systemu nadzorowania i pozyskiwania danych SCADA”, dodaje Sin. „Ponadto niektóre z nich stosują zaawansowane algorytmy lub technologie kontroli. Pozwala to na wdrożenie naszych rozwiązań, albo od podstaw, albo poprzez poprawę istniejących procedur kontroli i automatyzacji”. Operatorzy zyskali w ten sposób narzędzia umożliwiające im analizę procesów w oczyszczalni i wybranie właściwej strategii ograniczania emisji N2O. Projekt zaowocował powstaniem konkretnych technik ograniczających produkcję N2O podczas pracy zakładu, co pomoże w łagodzeniu zmiany klimatu. Omawiane badanie przeprowadzono dzięki wsparciu z działania „Maria Skłodowska-Curie”.
Słowa kluczowe
AMACONOE, oczyszczalnia, ścieków, N2O, biologia, ścieki, gazy cieplarniane, tlenek diazotu
