Odsalanie dzięki bakteriom
Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu MIDES postanowił zająć się rozwiązaniem tego problemu, opracowując i uruchamiając pierwszy na świecie przemysłowy prototyp oparty na technologii mikrobiologicznych ogniw odsalających (ang. microbial desalination cells, MDC). „W ramach naszych prac wykorzystaliśmy MDC do obróbki wstępnej przed procesem odwróconej osmozy, co pozwoliło na jednoczesne odsalanie i uzdatnianie wody”, opisuje koordynator projektu Frank Rogalla. Odwrócona osmoza jest obecnie najszerzej stosowaną metodą odsalania, jednak jej wykorzystywanie wiąże się z koniecznością zapewniania wysokiego ciśnienia, co przekłada się na zużycie energii wynoszące co najmniej 3 kWh/m3 wody morskiej. Inne technologie są jeszcze bardziej energochłonne. Zastosowanie ogniw mikrobiologicznych pozwala na obejście tego ograniczenia dzięki wsparciu procesu odwróconej osmozy i wytwarzaniu energii wykorzystywanej w procesie odsalania. W ogniwach MDC wykorzystywane są bioelektroaktywne bakterie Geobacter, które przetwarzają energię zawartą w materii organicznej obecnej w ściekach w energię elektryczną. Różnica potencjałów pomiędzy elektrodami powoduje oddzielenie soli przez membrany jonowymienne, co pozwala na odsalanie wody morskiej i słonawej bez potrzeby zapewniania dodatkowego zasilania. „Takie rozwiązanie pozwala na ograniczenie zapotrzebowania na energię elektryczną o co najmniej rząd wielkości w porównaniu do konwencjonalnych rozwiązań wykorzystujących odwróconą osmozę”, wyjaśnia Rogalla.
Od laboratorium do zakładu pilotażowego
Zaangażowani w prace partnerzy byli w stanie obejść dotychczasowe ograniczenia technologii MDC – niską szybkość odsalania, wysoki koszt produkcji oraz problemy związane z zanieczyszczeniami biologicznymi oraz osadami na membranach – optymalizując mikrobiologiczny proces elektrochemiczny. Udało im się to osiągnąć dzięki kompleksowemu procesowi zwiększania skali rozwiązania, który obejmował między innymi nowatorskie jonowymienne membrany odporne na zanieczyszczenia, a także nowe elektrody węglowe. Co więcej, badacze wdrożyli podejście oparte na gospodarce o obiegu zamkniętym, wykorzystując tworzywa sztuczne pochodzące z recyklingu do konfiguracji ogniw oraz baterii MDC. W celu optymalizacji procesu opracowali również matematyczne modele symulacyjne w oparciu o wyniki poprzednich etapów projektu – badań laboratoryjnych, a także faz przedpilotażowej i pilotażowej. Ponadto prace objęły także wdrożenie nowych parametrów operacyjnych oraz protokołów czyszczenia membran, które przyczyniły się do usprawnienia reakcji bioelektrycznych. Po udanym zwiększeniu skali rozwiązania zespół projektu MIDES zaprojektował i zbudował dwa prototypy – każdy stanowił jedną baterię złożoną z 15 ogniw MDC o łącznej powierzchni 0,4 m2. „Oba prototypy pozwalają na przetwarzanie tysięcy litrów wody słonawej i morskiej dziennie przy bardzo niskim zużyciu energii”, mówi Rogalla. Pierwsza pilotażowa instalacja rozwiązania MIDES w hiszpańskim mieście Dénia obejmuje urządzenia do wstępnego oczyszczania wody słonawej i ścieków, a także ogniwa MDC oraz system odwróconej osmozy pod niskim ciśnieniem. Drugi obiekt na hiszpańskiej Teneryfie wykorzystuje ogniwa w celu wstępnego odsalania wody morskiej, któremu towarzyszy dalsze uzdatnianie przy pomocy odwróconej osmozy. W wyniku tego procesu powstaje woda pitna bez konieczności dostarczania energii z zewnątrz.
Korzyści dla społeczności wiejskich i miejskich
Dzięki opracowaniu połączonego systemu odsalania wody i oczyszczania ścieków, projekt MIDES może przyczynić się do zwiększenia dostępu do niedrogiej, bezpiecznej wody pitnej zgodnie z przepisami krajowymi oraz unijnymi. Co więcej, jego wdrożenie może pozwolić na dostarczanie oczyszczonych ścieków do zastosowania w rolnictwie, między innymi w celu nawadniania, co zmniejszy obciążenie bieżących zasobów. Rozwiązanie MIDES może umożliwić stworzenie zdecentralizowanych instalacji oczyszczających ścieki o mniejszej przepustowości, zachowujących jednak dodatni bilans energetyczny. W praktyce oznacza to, że dzięki technologii MDC tego rodzaju systemy będą mogły zostać wdrożone w zakładach przemysłowych oddalonych od innych ośrodków, w gospodarstwach rolnych i miejscowościach o ograniczonym dostępie do energii elektrycznej. Nowe rozwiązanie może przynieść także wiele korzyści mieszkańcom terenów nadmorskich dzięki budowie kompleksowych oczyszczalni ścieków wytwarzających energię elektryczną i odsalających wodę morską w ramach inteligentnych systemów zarządzania i kontroli. „Sukces projektu MIDES jest niezwykle ważny – wraz ze wzrostem liczby ludności na świecie, zwłaszcza na terenach przybrzeżnych, konieczne jest stworzenie nowych, zrównoważonych strategii zapewnienia dostępu do taniej i wysokiej jakości wody pitnej dla wszystkich ludzi”, podsumowuje Rogalla.
Słowa kluczowe
MIDES, MDC, odsalanie, ścieki, odwrócona osmoza, mikrobiologiczne ogniwo odsalające, Geobacter
