Zwiększona produkcja biometanu z materii organicznej odzyskanej z ścieków komunalnych przez pilotowy ciągły proces wysokoprzepływowy z kontaktowo‑stabilizacyjnym osadzeniem

Przekształcanie ścieków w źródło energii

Każdego dnia woda, którą spłukujemy i odprowadzamy, zabiera ze sobą nie tylko odpady, ale też ukrytą energię. Badanie to pokazuje, jak oczyszczalnie ścieków komunalnych można przeprojektować, by odzyskiwać więcej tej energii w postaci gazu metanowego, paliwa możliwego do wykorzystania w produkcji energii elektrycznej. Poprawiając jeden z wczesnych etapów oczyszczania, autorzy wykazują, że da się wychwycić większą ilość materii organicznej w ściekach i przekształcić ją w biometan, co pomaga oczyszczalniom zbliżyć się do samowystarczalności energetycznej i zmniejszyć ich wpływ na klimat.

Dlaczego oczyszczalnie zużywają tak dużo energii

Zbieranie i oczyszczanie ścieków miejskich już dziś pochłania około 1% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną, a udział ten powinien rosnąć wraz z przyłączaniem kolejnych osób do sieci kanalizacyjnej. Tradycyjne oczyszczalnie projektowane są głównie z myślą o usuwaniu zanieczyszczeń, a nie o oszczędzaniu czy generowaniu energii. Zwykle mają one osadnik wstępny do usuwania cięższych cząstek, a następnie duży napowietrzany basen, w którym mikroby rozkładają pozostałą materię organiczną w systemie konwencjonalnego osadu czynnego. Chociaż podejście to chroni rzeki i wybrzeża, wiele potencjalnej energii zawartej w ściekach zostaje „spalone” jako ciepło i dwutlenek węgla zamiast być zebrane jako użyteczne paliwo.

Nowy sposób na odzyskanie większej ilości paliwa z wody

Badanie koncentruje się na procesie zwanym wysokoprzepływowym kontaktowo‑stabilizacyjnym, w skrócie HiCS, który dodaje się tuż po etapie osadnika wstępnego. Zamiast pozwalać mikrobom przez kilka dni powoli utleniać materię organiczną, system HiCS utrzymuje ich czas zatrzymania w zbiornikach poniżej dwóch dni. W tym krótkim czasie mikroorganizmy produkują lepkie substancje, które ułatwiają łączenie drobnych cząstek i rozpuszczonej materii organicznej w większe flokule, które można oddzielić grawitacyjnie. Kluczową ideą jest szybkie wyciągnięcie tych bogatych w energię skupisk, zanim mikroby je całkowicie „spalą”, a następnie skierowanie ich do fermentora beztlenowego, gdzie zostaną przekształcone w metan bez użycia tlenu. Badacze zainstalowali pilotowy układ HiCS w rzeczywistej oczyszczalni, aby sprawdzić, jak ta strategia działa w praktycznych warunkach.

Testy pilotażowego układu w rzeczywistych warunkach

Pilotowy układ otrzymywał rzeczywiste ścieki, które przeszły już przez osadnik wstępny oczyszczalni. Składał się ze zbiornika stabilizacyjnego z napowietrzaniem, zbiornika kontaktowego bez powietrza oraz wtórnego osadnika do wychwytywania nowo powstałego osadu. Zespół prowadził system w dwóch okresach o różnych wiekach osadu i temperaturach wody, typowych dla rzeczywistych oczyszczalni. Dokładnie mierzyli, ile materii organicznej wchodziło do systemu i ile z niego wychodziło, jaka część trafiała do dodatkowego osadu produkowanego przez HiCS oraz jak szybko ten osad się klarował. Porównywali też te wartości z oczekiwaniami dla standardowych systemów wysokoprzepływowych i konwencjonalnego osadu czynnego, by sprawdzić, czy nowa konfiguracja rzeczywiście poprawia odzysk węgla.

Z przechwyconego osadu do dodatkowego metanu

Aby oszacować, ile użytecznej energii można uzyskać z odzyskanego osadu, badacze przeprowadzili testy potencjału biometanowego. Umieścili próbki osadu z HiCS, tradycyjnego osadu czynnego i osadu pierwotnego w szczelnych zbiornikach z aktywną biomasą z fermentora i monitorowali produkcję metanu przez 28 dni. Osad z HiCS konsekwentnie produkował więcej metanu na jednostkę materii organicznej niż osad z systemu konwencjonalnego i robił to szybciej, co oznacza, że dobrze nadaje się do standardowych czasów fermentacji stosowanych w zakładach pełnoskalowych. Ilość materii organicznej odzyskanej na jednostkę tego, co usunięto z wody, również była wyższa dla HiCS niż dla konwencjonalnego oczyszczania, pokazując, że proces nie tylko chroni jakość ścieków odprowadzanych, lecz także zachowuje więcej bogatych w energię substancji do późniejszego odzysku.

Co to oznacza dla przyszłych oczyszczalni

Podsumowując, testy pilotażowe wykazały, że dodanie ciągłego etapu HiCS po osadniku wstępnym może zwiększyć frakcję węgla ze ścieków przekształcaną w metan o około jedną trzecią w porównaniu z samym procesem konwencjonalnym, bez nadmiernej wrażliwości na zwykłe zmiany temperatury wody czy warunków eksploatacyjnych. Mówiąc prościej: zakład może wydobyć więcej „paliwa” z tych samych ścieków przy jednoczesnym ograniczeniu niepotrzebnego biologicznego „spalania” na wczesnym etapie oczyszczania. Integracja takiego etapu wysokoprzepływowego w istniejących obiektach mogłaby pomóc miastom wytwarzać więcej odnawialnej energii elektrycznej z ich ścieków, obniżając zarówno rachunki za prąd, jak i emisje gazów cieplarnianych związane z niezbędną usługą publiczną.

Cytowanie: Sakurai, K., Abe, C. Enhanced biomethane production from organic matter recovered from municipal wastewater by a pilot-scale plant continuous high-rate contact stabilization process. Sci Rep 16, 11078 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41598-w

Słowa kluczowe: energia ze ścieków, biometan, wysokoprzepływowy kontakt i stabilizacja, fermentacja beztlenowa, odzysk węgla