Katarzyna Kubacka
Oczyszczalnie ścieków to potężne obiekty pożerające mnóstwo energii. Czy można zmienić je w jej samowystarczalne źródło i jeszcze na tym zarobić?
Szacuje się, że 70 procent wszystkich kosztów, jakie ponosi oczyszczalnia na energię elektryczną, jest generowanych przez proces napowietrzania w komorach biologicznych, kończących szereg procesów mechanicznego i biologicznego oczyszczania. Choć procesy oczyszczania ścieków zużywają ogrom energii, mają one jednocześnie ogromny potencjał energetyczny.
Co naprawdę trafia do oczyszczalni?
Wszystkie nieczystości, które jako ludzie produkujemy każdego dnia, odprowadzane są kanalizacją do oczyszczalni ścieków. Przedsiębiorstwa wodociągowo-kanalizacyjne dbają o to, aby woda została jak najlepiej oczyszczona, zanim trafi z powrotem do rzek. Okazuje się jednak, że obecnie nie da się oczyścić ścieków w stu procentach, przynajmniej przy użyciu konwencjonalnych technologii .
Jak mówi dr inż. Edyta Łaskawiec, adiunktka w Katedrze Biotechnologii Środowiskowej Politechniki Śląskiej, obecnie do oczyszczalni trafia dużo więcej różnych substancji chemicznych, niż kiedyś. Jednymi z głównych problemów są mikroplastik oraz farmaceutyki. Jest to o tyle istotne, że ścieki są finalnie odprowadzane do rzek.
Czy ścieki, które wyjdą z oczyszczalni, nadają się już do ponownego wprowadzenia w obieg przyrodniczy? Z założenia tak, ale..
-Mamy dyrektywę wodną, mamy dyrektywę ściekową, i oczywiście wszystkie ścieki spełniają normy związane z jakością, natomiast w ostatnim czasie wiedza dotycząca generowanych przez nas zanieczyszczeń w ściekach znacznie się poszerzyła, choćby farmaceutyków czy przemysłowych dodatków, z grupy tzw. wiecznych zanieczyszczeń. Jest to bardzo szeroka i różnorodna grupa, mikroorganizmy [odpowiadające za rozkład zanieczyszczeń – red.] nie są w stanie ich wszystkich usunąć. Choć często z czasem nabywają takie zdolności, szczególnie bakterie, grzyby i archeony są elastyczne, ale często te procesy adaptacyjne zachodzą wolniej, nie nadążając za produkcją przemysłową – mówi Łaskawiec. – Więc część tych związków niestety przedostaje się do środowiska.
„Prędzej czy później będziemy tę wodę pili”
Co może budzić niepokój, szczególnie w kontekście narastającego zagrożenia antybiotykoopornością czy pojawiających się doniesień o negatywnym wpływie na naszą gospodarkę hormonalną, to farmaceutyki. Problemem jest również mikroplastik. Jest on gromadzony głównie w osadach ściekowych, skąd może trafiać na gleby wykorzystywane rolniczo.
– Mikroplastik najczęściej trafia do środowiska w postaci włókien z prania sztucznych materiałów – tłumaczy Łaskawiec. – Jest kilka takich związków, których mikroorganizmy nie są wstanie dokładnie usunąć (np. diklofenak – popularnie występujący w przeciwzapalnych maściach bez recepty), więc one niestety będą trafiały do rzek. Pojawiają się różne pomysły, jak zminimalizować ich negatywne oddziaływanie. Szczególnie że zmieniający się klimat będzie stawiał przed nami nowe wyzwania. Jeśli będziemy borykać się z suszą, a przepływy w rzece będą niskie, to dominującą objętość tej wody w tej rzece zaczynają stanowić ścieki. Badania pokazują, że w rzekach europejskich to właśnie ta jakość ścieków, które my oczyszczamy, wpływa w zasadniczy sposób na to, jaki jest ogólny stan naszych rzek. Dlatego ponoszenie standardów oczyszczania jest coraz bardziej kluczowe…
– No bo później my z tego pijemy wodę?
– Tak, prędzej czy później będziemy z tej rzeki wodę pić, bo ona będzie infiltrowała w głębsze warstwy. Wręcz powinno nam zależeć na zatrzymaniu jej lokalnie.
Problemem jest także wspomniana już antybiotykooporność, która najprawdopodobniej ma swoje źródło właśnie w oczyszczalniach ścieków. Transfer genów między mikroorganizmami stanowiącymi mikrobiom ścieków (bakteriami, grzybami a mikroorganizmami antybiotykoopornymi) jest prostszy w oczyszczalniach, bo na małej powierzchni występuje duże zagęszczenie mikrobów. Trafiając do oczyszczalni, mikroorganizmy te mutują i nabywając geny lekooporności. Jak wskazuje Łaskawiec, są to między innymi bakterie Eserichia coli, które każdy ma w jelitach i kiedyś nie były antybiotykooporne, jednak w wyniku nadużywania przez nas leków uzyskały nowe właściwości. Po wydaleniu trafiają do oczyszczalni i wchodzą w interakcje z innymi mikrobami.
Źródłem antybiotykooporności są też duże hodowle przemysłowe zwierząt. Stąd mikroby mają jeszcze łatwiejszą drogę do środowiska, choćby poprzez obornik nawożony na pola.
Ogromne koszty oczyszczalni
Kluczem w usuwaniu zanieczyszczeń ze ścieków jest kłaczkowata struktura osadu czynnego.
To technologia praktycznie niezmienna od 100 lat. Organizmy, które żyją w zawiesinie, żywią się tym, co szkodzi naszemu środowisku. Jak wyjaśnia Łaskawiec, w środowisku organizmy te występują naturalnie, jak część ekosystemu. W oczyszczalni są one natomiast zebrane w komorach biologicznych, gdzie na małej powierzchni występuje bardzo duże ich zagęszczenie.
– Do utrzymania kłaczkowatej zawiesiny wymagany jest proces napowietrzania. Mikroorganizmy muszą mieć dostęp do tlenu, aby efektywnie degradować zanieczyszczenia, ale energia wykorzystywana w tym procesie to bardzo duży koszt. Szacuje się, że od 60 do 70 procent całkowitych kosztów oczyszczalni ścieków to właśnie koszy napowietrzania samych komór biologicznych. Więc zależy nam, żeby jak najbardziej ograniczyć ten proces napowietrzania, nie szkodząc jednocześnie mikroorganizmom, ponieważ nadal mamy do czynienia z wrażliwymi żywymi strukturami, a każde zaburzenie równowagi może odbić się w obniżeniu skuteczności usuwania zanieczyszczeń – tłumaczy ekspertka.
Dodatkowo mikrorganizmom trzeba dostarczyć związki węgla. Oczyszczalnia musi kupić substancje zawierające organiczne źródła węgla.
W procesie przemian azotu, który ma miejsce w komorach biologicznych, produktem pośrednim jest podtlenek azotu. To gaz wysoce cieplarniany. Szacuje się, że globalnie oczyszczalnie ścieków są piątym największym źródłem emisji tlenku azotu. Jednym z pomysłów, żeby zmniejszyć emisyjność oczyszczalni ścieków, jest więc zmniejszenie jego generowania. W tym celu należałoby skrócić czas napowietrzania, co dodatkowo pozwoli zaoszczędzić bardzo dużo energii.
Biogaz, czyli jak na tym zarobić?
W procesie oczyszczania mamy zasadniczo dwie grupy mikroorganizmów. Jeśli usuniemy część mikroorganizmów drugiej fazy nitryfikacji, proces napowietrzania będzie krótszy.
W tym przypadku produkcja tlenku azotu zmniejszy się o połowę, natomiast będzie produkowany azot gazowy. W procesie oczyszczania powstają surowce, które można ponownie wykorzystać. Co dokładnie?
– Część biomasy, ponieważ ona się cały czas namnaża. Bakterie korzystając ze związków azotu i fosforu budują swoją biomasę, więc jest ich coraz więcej w tym osadzie. Jego część musimy usuwać na bieżąco, jednak część tej biomasy jest wykorzystywana jako stężony produkt do produkcji kwasu azotowego – opowiada Łaskawiec.
Drugim ważnym procesem jest fermentacja beztlenowa. To dzięki niej możliwe jest uzyskanie biogazu, który później można sprzedać lub wykorzystać na potrzeby własne obiektu.
– Głównym założeniem procesu fermentacji metanowej jest uzyskanie biogazu, który może być wykorzystany energetycznie. Biogaz powstaje z osadów ściekowych. Osady są odwadniane i podawane do procesu fermentacji beztlenowej, w podwyższonej temperaturze, powyżej 30°C – wyjaśnia naukowczyni z Politechniki Śląskiej.
Efektem tego procesu jest na przykład metan, ale także pożądany ostatnio wodór. Badania pokazują, że oczyszczalnie tracą dużo biogazu przez nieszczelności.
Jak wyjaśnia Łaskawiec, nowe podejście badawcze optuje za jak największym zmniejszeniem kosztów oczyszczalni i przy założeniu, że z takich procesów można będzie jeszcze pozyskać dodatkowe korzyści. Innymi słowy, możemy te surowce odzyskiwać i sprzedawać.
Na ten moment, niewykorzystany biogaz jest spalany, a można by go było sprzedawać z zyskiem na różnych rynkach.
Oczyszczalnie mogą sprzedać biogaz z metanem, wodór, mogą nawet sprzedać nawozy azotowe i fosforowe. Na ten moment rolnictwo najczęściej wykorzystuje nawozy sztuczne. Jeżeli rzeczywiście wykorzystalibyśmy oczyszczalnie ścieków do odzyskiwania związków azotu i fosforu, światowe zużycie nawozów sztucznych można by obniżyć nawet o 17-20 procent.
Czy mikrobiologiczna ciemna materia pomoże usunąć mikroplastik?
Problemem dla oczyszczalni ścieków są m.in. mikroplastik oraz substancje związane z tworzywami sztucznymi, antybiotykami i środkami higieny osobistej. Wszystkie one tworzą grupę mikrozanieczyszczeń, którą charakteryzuje szkodliwość dla naszego zdrowia.
Aktualnie nie ma technologii pełnoskalowej pozwalającej na całkowite rozwiązanie problemu, ale są pomysły, które można wdrożyć w życie. Począwszy od wspomagania procesami chemicznymi i fizycznymi oczyszczania, a skończywszy na inżynierii genetycznej mikroorganizmów.
– Jest też trend, który coraz bardziej wkracza w oczyszczalnie ścieków, czyli zmienianie struktury społeczności mikroorganizmów – twierdzi Łaskawiec. – Mówi się na przykład o takim procesie jak bioaugumentacja, wzbogacanie biomasy o konkretne szczepy, konkretne grupy tych mikroorganizmów.
Modyfikacje genetyczne to wzbogacanie struktury kłaczkowatej o substancje dobrze już znane w przyrodzie. Co ciekawe, w samej strukturze kłaczkowatej znajduje się tak zwana mikrobiologiczna ciemna materia, czyli duża grupa organizmów, których naukowcy nie są w stanie jeszcze zbadać. Szacuje się, że może ona stanowić nawet 90 procent osadu czynnego.
Okazuje się, że nie do końca wiemy co dokładnie się tam znajduje, ale ciemna materia może być kluczowa w procesie oczyszczania ścieków.
Jak mówi Łaskawiec, na ten moment nie mamy jednak narzędzi do tego, żeby wyizolować te bakterie w laboratorium. Można je zobaczyć, można je nawet wyizolować, ale nie da się ich wyhodować w laboratorium. Dlaczego? Nie wiadomo. Wiemy, czym zaszczepiamy strukturę, jednak mikroorganizmy z upływem czasu zmieniają się pod wpływem różnych czynników na tyle, że człowiek nie jest w stanie ich wszystkich oznaczyć, wyizolować. One przebudowują struktury, żeby przetrwać w danym środowisku. Przyroda jest zawsze krok przed nami.
Wetlandy, naturalny filtr
Rozwiązania oparte na naturze coraz częściej znajdują uznanie w oficjalnej nauce. Wspomniany w pierwszym akapicie problem z wodami gruntowymi w Polsce można by częściowo rozwiązać za pomocą tzw. wetlandów – sztucznych mokradeł stworzonych w otoczeniu oczyszczalni.
Jak mówi Łaskawiec, inżynierom zależy, żeby oczyszczone ścieki były zatrzymywane w miejscu przez dłuższy czas, a nie uciekały wraz z biegiem rzeki. Żeby „zatrzymać” tę wodę potrzebne jest jak najwięcej roślinności, jak najbardziej kręty przepływ rzeki, żeby meandrowała, a procesy samooczyszczania zachodziły w sposób naturalny.
– Należy dbać o to, aby zasilać wody gruntowe, a nie, tracić słodką wodę na rzecz Bałtyku. Oczyszczanie ścieków dzielimy aktualnie na dwa główne stopnie – mechaniczny, czyli wszystkie te kraty, które zatrzymują większe zanieczyszczenia, i biologiczny, czyli cały proces oczyszczania za pomocą mikroorganizmów itp. Jednak coraz wyraźniej widzimy potrzebę włączenia trzeciego stopnia oczyszczania, aby efektywnie „doczyścić” ścieki – wyjaśnia ekspertka.
To procesy zainspirowane naturą, jednak wymagające uwolnienia dodatkowej powierzchni wokół oczyszczalni. Jeśli jej najbliższe otoczenie byłoby zaadoptowane w taki sposób, żeby za pomocą roślinności stworzyć naturalne filtry, zatrzymalibyśmy wodę w gruncie, poprawilibyśmy lokalny klimat i uzyskalibyśmy jeszcze wyższy efekt redukcji zanieczyszczeń.
Tekst powstał jako efekt warsztatów realizowanych przez Fundację Edukacji Klimatycznych, w ramach projektu finansowanego przez Islandię, Liechtenstein i Norwegię z Funduszy EOG i Funduszy Norweskich w ramach Programu Aktywni Obywatele – Fundusz Regionalny.
Edyta Łaskawiec to adiunktka w Katedrze Biotechnologii Środowiskowej Politechniki Śląskiej. Pracuje w projekcie współfinasowanym w ramach POLNOR 2019 Funduszy Norweskich i Funduszy Europejskiego Obszaru Gospodarczego (EOG): Shortcut nitrification in activated sludge process treating domestic wastewater – key technology for low-carbon and clean wastewater treatment (SNIT). Celem projektu jest opracowanie kluczowych technologii dla neutralnych klimatycznie procesów oczyszczania ścieków.
